ENTWICKLUNG EINES MOBILEN
AFM-MESSAUFBAUS FüR PARALLELES SCANNEN

Diplomarbeit in Physik an der ETH Zürich

VON PASCAL STAUB

Betreuer: Dirk Lange und Dr. Oliver Brand

Professor: H. Baltes

Inhaltsverzeichnis

I Vorwort 3

II Zusammenfassung 4

III Einleitung 6

3.1 Raster-Kraft-Mikroskopie 6

3.1.1 Contact-Mode AFM 9

3.1.2 Tapping-Mode 10

3.1.3 Non-Contact Mode AFM 10

3.2 FAMOS-Projekt 11

3.2.1 FAMOS-2 AFM-Chip [6] 11

3.2.2 FAMOS-10 12

IV Zielsetzung des Gesamtsystems 13

4.1 Spezifische Anforderungen 13

4.2 Aufbau des Demonstrators 15

V Entwicklung der Komponenten 16

5.1 Anforderungsprofil der Scanning-Stage 16

5.1.1 Instruktive existierende Raster-Mikroskope 16

5.2 Konzeptioneller Aufbau der Scanning-Stage 17

5.2.1 Wahl der zu Grunde liegenden Anordnung 18

5.3 Konstruktion der Scanning-Stage 19

5.3.1 Scanner 20

5.3.2 Linear-Positionierer 21

5.3.3 PCB-Halter und Sensor-PCB 22

5.3.4 Federaufhängung 23

5.3.5 Mikrometer-Schrauben 23

5.3.6 Sockel 24

5.4 Externe Elektronik I 26

5.4.1 Wahl der Schnittstellenkarte 26

5.4.2 Analyse des Mess-Timings 28

5.4.3 Aufbau der externen Elektronik I 31

5.5 Dynamisches Verhalten des
Nanosurf Scanners 33

5.5.1 Verhalten eines harmonischen Oszillators mit Dämpfung 33

5.5.2 Gemessene Sprungantworten 34

5.5.3 Schlussfolgerung für den Demonstrator 36

5.5.4 Analyse der Scan-Rampe 37

5.5.5 Simulation der Scan-Rampe 39

5.6 Externe Elektronik II 41

5.6.1 Aufbau 41

5.6.2 Interface des Mikrokontrollers 42

5.6.3 Messablauf 42

5.7 Ansteuerungs-Software FAMOSoft 1.0" 45

5.7.1 Ablauf 45

5.7.2 Approach-Window 46

5.7.3 Scan-Window 47

5.7.4 Pre-Scan-Window 49

5.7.5 Implementierung 50

5.7.6 Labview für komplexe Programme 50

VI Resultate 52

VII Ausblick 55

VIII Literatur 57

IX Glossar 58

X Anhang 60

10.1 Programmierung des C161 60

10.2 Schnittstellendefinitionen Elektronik I 62

10.2.1 DAQ 6533/externe Elektronik I 62

10.2.2 Register/DA-Wandler-Adressierung 63

10.2.3 Externe Elektronik analog/Board-Scanning-Stage 64

10.3 Schnittstellendefinition Elektronik II 66

10.3.1 DAQ 6533/externe Elektronik 66

10.3.2 Externe Elektronik Digital-Board/Scanner-Elektronik II 68

10.3.3 Adressierung C161 - Elektronik II 68

10.3.4 Schnittstellendefinition Mikrokontroller 69

10.4 Siemens C161-Programme 71

10.4.1 Eigentliches Mess-Programm 71

10.5 Messungen UBM 76

10.6 Messparameter UBM 76

10.7 Verzeichnisserläuterungen CD 78

10.8 Schaltpläne

10.8.1Schaltpläne Test-Schaltung 79

10.8.2 Schaltpläne externe Elektronik I 80

10.8.3 Schaltpläne externe Elektronik II 88

10.9 Pläne Scanning-Stage 104

Vorwort

Die vorliegende Diplomarbeit dokumentiert den viermonatigen Abschluss meines Studiums, den ich am Labor für Physikalische Elektronik verbringen durfte. Während dieser interessanten Zeit konnte ich viel profitieren, was zu einem grossen Teil auf die angenehme und produktive Atmosphäre in diesem Labor zurückzuführen ist.

Bedanken möchte ich mich bei Dirk Lange für die professionelle Betreuung, sowie Martin Zimmermann und Donat Scheinwiller, die auch keine Überstunden gescheut haben, um dieses Projekt termingerecht abschliessen zu können.

Weiter möchte ich den Mechanikern der Werkstatt des HPT für ihre verständnisvolle Art danken, die sie mir als Physiker entgegenbrachten.

Danken möchte ich auch meinen Eltern, die mich in meinem Studium tatkräftig finan­ziell und mental unterstützt haben.

Zusammenfassung

Das Atomic-Force-Microscope (AFM) ist ein Analyse-Verfahren, mit dem die Ober­fläche der meisten leitenden und nicht leitenden Proben hochauflösend untersucht werden kann. Aus vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie wie zum Beispiel Biologie und Materialwissenschaft ist das AFM nicht mehr wegzudenken. Dennoch hat dieses Analyse-Verfahren ein Hauptproblem: Durch seinen sequentiellen Charakter ist seine Geschwindigkeit beschränkt. Im Famos-Projekt wird versucht, dieses Problem durch die Implementierung von mehreren Cantilevern auf einem CMOS-Chip zu lösen. Am Institut für Physikalische Elektronik der ETH Zürich wurde ein AFM-Sensor entwickelt, der zwei Cantilever enthält, die als Tastköpfe arbeiten. Diese wurden charakterisiert und erfüllen die an sie gestellten Anforderungen. Bis Ende 1999 wird die Entwicklung eines neuen Sensors erfolgreich beendet sein, der zehn Cantilever enthält.

Ziel dieser Diplomarbeit war es, einen mobilen Demonstrator der oben beschriebenen Sensoren zu entwickeln, um Interessenten die Funktionstüchtigkeit der FAMOS-Sen­soren präsentieren zu können.

Die Entwicklung erstreckte sich über drei Bereiche: Mechanik (Scanning-Stage), externe Elektronik und Software (Labview auf Macintosh PowerBook G3).

Zuerst wurde die Scanning-Stage (der Mechanische Aufbau) konstruiert. Es wurde ein Scanner gewählt, der ein mobiles Design der Scanning-Stage erlaubt. Zu diesem Scanner passend evaluierte man einen Linear-Positionierer und Mikrometer-Schrauben, die Position der Cantilever gegenüber der Probe bestimmen. Ausgehend von diesen Rand­bedingungen wurde die restliche Scanning-Stage mittels CAD konstruiert und in der Physik-Werkstatt gefertigt. Für die Scanning-Stage wurde speziell Wert auf seine Stabilität und ein gutes Handling gelegt. Zudem soll die Scanning-Stage optisch ansprechend sein, da diese bei einer Demonstration im Mittelpunkt steht.

Parallel zur Konstruktion der Scanning-Stage wurde die Ansteuerungs-Elektronik entworfen. Wiederum war der einfache Aufbau ein wichtiges Ziel. Aus diesem Grund wollte man die externe Elektronik diskret aufbauen. Ein die Scan-Geschwindigkeit bestimmender Faktor ist der Datentransfer von der Scanning-Stage in das PowerBook. Deshalb entschied man sich für die schnellste digitale Schnittstellenkarte, die durch Labview ansprechbar ist. Diese externe Elektronik hätte drei DA-Wandler zur Ansteuerung der Scanning-Stage, einen AD-Wandler zur Erfassung der Messwerte und ein FIFO zur ­Zwischenspeicherung der Daten enthalten.

In Messungen des Scanner-Verhaltens wurde festgestellt, dass dieses für das Scannen mit grossen Schrittweiten ungeeignet ist. Der Scanner benötigt für das Ausschwingen nach jedem Sprung zu lange und beginnt sich aufzuschwingen. Es wurden alternative Scan-Rampen simuliert, jedoch können diese nicht durch die geplante Elektronik generiert werden. In diesen Simulationen und ersten Messungen konnte festgestellt werden, dass diese Scan-Rampen für den Einsatz im Demonstrator geeignet sind.

Die Generierung der neuen Scan-Rampe übernimmt in der zweiten externen Elektronik der C161 Mikrokontroller von Siemens. Durch den Einsatz dieses Bausteines gewann die externe Elektronik an Flexibilität und könnte neuen Anforderungen angepasst werden. Die Datenübertragung in das PowerBook übernimmt wiederum die National Instruments Schnittstellenkarte DAQ 6533, da die serielle Schnittstelle dem Datenaufkommen nicht gewachsen ist.

Die Ansteuerungs-Software wurde mit Labview 5.0 programmiert. Diese umfasst zwei Hauptkomponenten: Das Approach-Window unterstützt den Benutzer beim Aufsetzen der Cantilever auf die Probe, das Scan-Window ist für die eigentlichen Messungen zuständig.

Da diese neue externe Elektronik zum Abgabetermin dieser Arbeit noch kurz vor der Testphase stand, wurde für die Beurteilung der Scanning-Stage und der Ansteuerungs-Software eine einfachere Test-Elektronik verwendet. Mit dieser konnte man sich von der Funktionstüchtigkeit dieser beiden Komponenten überzeugen.

Einleitung

Raster-Kraft-Mikroskopie

E. Ruska, G. Binnig und H. Rohrer erhielten 1986 den Nobelpreis für die Entwicklung des Raster-Tunnel-Mikroskops. Dies war der Grundstein der Scanning Probe Microscopy (SPM), zu der man unter anderen das Raster-Tunnel-Mikroskop (STM Scanning Tunneling Microscope), das AFM Atomic Force Microscope (Raster-Kraft-Mikroskop/SFM Scanning Force Microscope) und das Lateral Force Microscope zählt.

Rastervorgang über eine Probe im SPM
(Punkte: Messungen, Linie: Trajektorie der Spitze auf der Proben-Oberfläche)

Bei all diesen Methoden wird mit einer scharfen Spitze (siehe See Allgemeine Anordnung eines AFM (Quelle: IBM Forschungslabor Rüeschtlikon, Zürich) ) eine Oberfläche gerastert. Eine einfache Rampe als eine Trajektorie ist in See Rastervorgang über eine Probe im SPM (Punkte: Messungen, Linie: Trajektorie der Spitze auf der Proben-Oberfläche) dargestellt. Man erreicht durch einige dieser Methoden - z.B. Raster-Tunnel- und Raster-Kraft-Mikroskopie - atomare Auflösung (je nach Material ca. 0.1 nm).

Bei der Raster-Kraft-Mikroskopie werden die Kräfte zwischen Probe und Spitze benützt, um die Oberfläche abzutasten. In erster Näherung kann diese Wechselwirkung mit dem Van der Waals-Modell See M. Kittel, Festkörperphysik, Teubner Studienbücher beschrieben werden. Das entsprechende Potential ist das ­Lennard-Jones-Potential (siehe See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung und See )

Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung

Es ist klar ersichtlich, dass das Potential zwei charakteristische Bereiche besitzt: Starke Abstossung der beiden Atome bei sehr kleiner Distanz (Bereich 1) und schwache Anzieh­ung im Bereich 2.

In See Allgemeine Anordnung eines AFM (Quelle: IBM Forschungslabor Rüeschtlikon, Zürich) ist der schematische Aufbau eines Raster-Kraft-Mikroskops aufgezeigt. Die Probe wird durch Aktoren bewegt (im Schema Piezo-Kristalle in x-, y- und z-Richtung). Durch die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Spitze wird der Cantilever ausgelenkt. Diese Deformation wird mittels eines Detektors gemessen (in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung optisch mittels Reflexion eines Laserstrahles am Cantilever in Vierquadrantendiode).

Allgemeine Anordnung eines AFM
(Quelle: IBM Forschungslabor Rüeschtlikon, Zürich)

Die Ebene, die durch die Oberfläche der Probe gegeben ist, wird meist als x-y-Ebene identifiziert. Die z-Achse steht senkrecht zur Probe. Auf diese Notation beziehen sich daher auch alle Achsenbezeichnungen in der vorliegenden Arbeit. Die folgende Tabelle zeigt typische Daten für die drei Analyse-Verfahren SEM (Scanning Electron Microscope), STM und AFM.

Scanning Electron Microscope (SEM)

Scanning Tunnel Microscope (STM)

Atomic Force Microscope (AFM)

laterale Auflösung

4 nm 1

0.015 nm 2

ca. 0.1 nm

Probe

Leiter und metallisch beschichtete Isolatoren
(auch dehydrierte biologische Proben)

Metalle (Leiter)

Leiter und Isolatoren
(auch biologische Proben)

Messumgebung

Vakuum
(typisch < 8E-5 mbar)

Vakuum für hohe Auflösung notwendig

Messung unter atmosphärischem Druck oder in Flüssigkeit

Abtastsonde

Elektronenstrahl

Edelmetallspitze (meist Platin/Iridium oder Wolfram)

anorganische aber auch biochemisch aktive Spitzen

Das AFM überzeugt im Vergleich zu STM und SEM durch mehrere Vorteile. Die Biologie und Biochemie beschäftigt sich hauptsächlich mit Isolatoren als Proben. Da mit dem STM nur leitende Proben untersucht werden können, scheidet diese Methode aus. Das SEM erlaubt die Untersuchung von biologischen - nicht leitenden - Proben. Diese müssen jedoch vor der Messung dehydriert und mit einem Metall bedampft werden. Diese Einschränkungen fallen für das AFM weg. Es können sogar lebende Proben oder Objekte in Flüssigkeiten beobachtet werden. Interessante Perspektiven eröffnet auch die Verwendung von biochemisch aktiven Spitzen. Diese würden ein Abtasten der Oberfläche nach charakteristischen Molekülen ermöglichen.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des Raster-Kraft-Mikroskops ist die Datenspeicherung. Eine Gruppe des Forschungszentrums der IBM in Almaden 3 erreichte mittels eines Raster-Kraft-Mikroskops eine Speicherdichte von 45 GBit pro Quadratzoll. Als Vergleich: eine CD besitzt eine Datendichte von 300 MBit pro Quadratzoll. Daten können mit einem AFM entweder thermomechanisch 4 auf ein Plastik-Substrat oder mittels ­lokaler Oxidation 5 von GaSb geschrieben werden. Beide Methoden sind als zukünftige Speichertechnologien sehr vielversprechend. Gegenüber dem STM zeichnet sich das AFM in diesem Anwendungsbereich dadurch aus, dass kein Vakuum vorhanden sein muss, denn die STM-Spitzen oxydieren an der Luft sehr schnell und leiten dann den ­Tunnel-Strom schlecht. Da die AFM-Technologie nicht auf Stromleitung beruht, wird ihre Leistung durch die Oxidation nicht stark beeinträchtigt.

Contact-Mode AFM

Je nach Anforderung kann zwischen verschiedenen AFM-Mess-Methoden gewählt werden.

Im Contact-Mode See Rebecca Howland & Lisa Benatar, A Practical Guide to Scanning Probe Microscopy", Park Scientific Instruments wird die Spitze über die Probe gefahren (siehe See Rastervorgang über eine Probe im SPM (Punkte: Messungen, Linie: Trajektorie der Spitze auf der Proben-Oberfläche) ) und die Auslenkung des Cantilevers wird gemessen. Das System Probe - Spitze" befindet sich für diesen Modus im abstossenden Bereich des Van der Waals-Potentials (Bereich 1 in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung ). Die Distanz zwischen Probe und Cantilever-Chip wird nun durch die Steuerungselektronik so geregelt, dass die Auslenkung des Cantilevers stets konstant ist.

Bei konstanter Cantilever-Auslenkung ist auch die Kraft zwischen Probe und Spitze konstant und gegeben durch:

Wobei F die an der Spitze wirkende Kraft, k die Federkonstante und x die Cantilever-Auslenkung ist.

Durch ihre beinahe statische Art eignet sich diese Methode auch in flüssiger Proben-Umgebung.

Für den Demonstrator steht die Funktionalität des Sensors, nicht die des AFM-Demonstrators im Vordergrund. Aus diesem Grund wird im Demonstrator auf eine Regelung verzichtet. Diese Einschränkung verkleinert die Komplexität erheblich. Als Messresultat erhält man direkt die Auslenkung der Cantilever. Diese ist innerhalb des linearen Bereiches des Sensors (durch See beschrieben) proportional zur Höhe am aktuellen Ort.

Tapping-Mode

Tapping-Mode - auch Intermittent-Contact AFM (IC-AFM) genannt - wurde von Digital Instruments entwickelt. Bei dieser Messmethode wird der Cantilever durch eine periodisch wirkende Kraft in Schwingung versetzt. Die Frequenz der Anregung wird in der Nähe seiner Resonanzfrequenz gewählt. In jeder Periode berührt die Spitze die Probe für eine kurze Zeit. Folglich ist die Amplitude der Cantilever-Schwingung abhängig von der Distanz des Cantilever-Chip zur Probe. Diese Distanz wird nun so geregelt, dass die Amplitude der Cantilever-Schwingung konstant ist. Dadurch misst man die Höhe der Probe am aktuellen Ort.

Der Tapping-Mode beschädigt die Probe weniger als der Contact-Mode, da laterale Kräfte wie z.B. Reibung verhindert werden. Aus diesem Grund sollte für weiche Proben der Tapping-Modus bevorzugt werden.

Non-Contact Mode AFM

In diesem Modus oszilliert der Cantilever mit einer Frequenz, die leicht über seiner Resonanzfrequenz liegt. Die Amplitude dieser Schwingung beträgt etwa 10 nm. Die Spitze berührt die Probe nicht (Bereich 1 in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung ), jedoch tritt eine Wechsel­wirkung der Spitze mit der Probe im anziehenden Segment (Bereich 2 in See Van der Waals-Potential für He-He Wechselwirkung ) des Van der Waals-Potentials auf. Diese Wechselwirkung führt zu einer Veränderung der Oszillations-Amplitude und der Resonanzfrequenz. Die Regelungselektronik ist analog zu derjenigen des Tapping-Mode AFM aufgebaut und regelt auf konstante Amplitude oder misst die Frequenzverschiebung.

Der Non-Contact Mode ist weniger genau, als der Contact- und Tapping-Mode. Jedoch wird die Oberfläche weniger beschädigt.

FAMOS-Projekt

Das AFM war ein grosser Fortschritt für viele Bereiche der Wissenschaft wie Biologie, Materialwissenschaft usw. Jedoch hat die heutige AFM - Technologie zwei grosse Nachteile. Zum einen ist der Scan-Bereich auf ca. 200 m beschränkt - zum anderen ist durch das sequentielle Abtasten der Oberfläche die Messgeschwindigkeit klein. Eine Optimierung in diesen beiden Punkten würde der AFM-Technologie ein noch breiteres Anwendungsgebiet eröffnen.

Im Projekt FAMOS, welches im Schweizer Prioritätsprogramm MINAST enthalten ist, versucht man durch Implementierung von mehreren Cantilevern die Scan-Geschwindigkeit zu erhöhen (siehe See Ziel des FAMOS-Projektes ). Zudem wird der Scan-Bereich durch den Abstand zwischen den Cantilevern erhöht.

Ziel des FAMOS-Projektes

FAMOS-2 AFM-Chip See D. Lange, T. Akiyama, C. Hagleitner, A. Tonnin, H. R. Hidber, P. Niedermann, U. Staufer, N. F. de Rooij, O. Brand, and H. Baltes, "Parallel Scanning AFM with on-Chip Circuitry in CMOS Technology", Technical Digest MEMS (1999) 447-452.

Die aktuellen Sensoren (in See FAMOS-2 Cantilever ) verfügen über zwei Cantilever im Abstand von 200 m. Bereits auf dem Chip sind zwei erste Verstärkerstufen für die beiden Cantilever mit einem Verstärkungsfaktor von 25 vorhanden. Dies führt zu einem weniger kritischen Rauschverhalten, da die Signale bereits einen Pegel pro Auslenkung von 62.5 V/nm 6 haben.

Die FAMOS-2-Sensoren werden mit einem industriellen Hochvolt CMOS-Prozess von AMS Austria Mikro Systeme International gefertigt. Für die Herstellung des AFM-­Sensors wird eine Nachbearbeitung (Post-Processing) der CMOS-Wafer durchgeführt. Dadurch werden die als Tastköpfe arbeitenden Cantilever freigeätzt.

FAMOS-2 Cantilever

Dieses Post-Processing beinhaltet:

FAMOS-10

Das nächste Ziel des FAMOS-Projektes ist die Herstellung der FAMOS-10-Sensoren, die ein Array von 10 Cantilevern im Abstand von 110m enthalten. Dieser Chip muss die Schaltkreise zum Auslesen der 10 Cantilever-Auslenkungen, sowie die Ansteuerung der thermischen Aktoren beinhalten. Diese Aktoren benützen den Bimorph-Effekt und sollen eine Auslenkung bis zu 5 m ermöglichen. Zudem soll bei einer Version eine Regelung der Cantilever im Contact-Mode bereits auf dem Chip vorhanden sein. Diese Hauptmerkmale werden dem FAMOS-10 Chip ein breites Anwendungsfeld eröffnen.

Zielsetzung des Gesamtsystems

Auch Wissenschaftler und Manager sind Augenmenschen. So lassen sich durch die ­Präsentation eines funktionierenden Demonstrators zusätzliche Interessenten gewinnen, oder mögliche Kunden können endgültig überzeugt werden. Aus diesem Grund sind Demonstratoren ein wichtiges Mittel, um Leistungen - zum Beispiel auf dem Gebiet der Mikrosensoren - zu präsentieren.

Für Demonstratoren des Labors für Physikalische Elektronik der ETH sind folgende Punkte wichtig:

Die meisten Veranstaltungen, an denen Demonstratoren präsentiert werden sollen, sind per Flugzeug zu erreichen. Eine möglichst kompakte Form der Demonstratoren - idealerweise kleiner als ein Aktenkoffer - ist folglich unabdingbar. Auch die Stabilität und unkritische Handhabung sind von Vorteil, um die Nerven der präsentierenden Person nicht unnötig zu strapazieren.

Spezifische Anforderungen

In der Entwicklung des Demonstrators standen technische Daten wie Auflösung und ­Zeilenfrequenz nicht im Vordergrund. Trotzdem setzte man sich folgende konkrete Eckdaten als Ziel:

maximaler Scanbereich

130m*130m

Auflösung in x-und y-Richtung

10 nm

Auflösung in z-Richtung

5 nm

maximale Messauflösung

512 * 512 Punkte

Zeilenfrequenz bei 512 * 512 Punkte

1 Hz

Die Auflösung in x-, y- und z-Richtung ist bestimmt durch den minimalen Abstand zweier Objekte, die noch getrennt wahrgenommen werden können. Ein maximaler Scanbereich von 130 m*130 m ermöglicht für den neuesten AFM-Chip (FAMOS-10) überlappendes Scannen (Abstand der Cantilever in FAMOS-10: 110 m).

In See Visualisierung Messbereich ist der Zusammenhang zwischen maximalem Scanbereich und Messauflösung für einen Cantilever visualisiert. Der helle Bereich entspricht dem durch den Scanner erreichbaren Bereich.

Das dunkle Rechteck ist die tatsächlich gemessene Oberfläche. Es werden maximal 512*512 Messpunkte in dieser Fläche gemessen.

Visualisierung Messbereich

Aufbau des Demonstrators

Grundsätzlich besteht ein Raster-Mikroskop aus fünf Grundelementen:

Als Anzeige und Bedienungselement drängt sich im Falle eines mobilen Demonstrators ein Notebook auf. Moderne Notebooks bieten genug Leistung, um die in einem AFM anfallenden Datenmenge verarbeiten und anzeigen zu können. Da im Labor für ­Physi­kalische Elektronik viel Erfahrung mit Apple PowerBooks vorhanden ist, entschied man sich für ein solches. Aus dem selben Grund wählte man als Programmiersprache ­Labview von National Instruments 7 . Diese Firma bietet zudem Schnittstellenkarten an, die in Labview problemlos angesprochen werden können.

Sowohl Signalgenerierung wie auch Signalverarbeitung sind schematisch zwischen Scanning-Stage und Anzeige/Bedienungselement angeordnet (siehe See Schematischer Aufbau des Demonstrators inklusive Datenfluss (Pfeile) ). Zudem benötigt die Signalgenerierung und Signalverarbeitung teilweise gleiche Versorgungsspannungen. Aus diesen Gründen wurden diese beiden Elemente zur Einheit externe Elektronik zusammengefasst.

Schematischer Aufbau des Demonstrators inklusive Datenfluss (Pfeile)

In den folgenden Kapiteln wird nun spezifisch auf jede Einheit eingegangen.

Entwicklung der Komponenten

Anforderungsprofil der Scanning-Stage

Als Demonstrations-AFM drängen sich folgende Anforderungen an die Konstruktion auf:

Instruktive existierende Raster-Mikroskope

Im Laufe dieser Diplomarbeit wurden Ideen und Problemlösungen existierender Raster-Mikroskope im FAMOS-Demonstrator verwendet. Besonders hervorzuheben sind das Digital Instruments Nanoscope 8 (Multimode Kopf) als professionelles AFM und der Prototyp - EasyScan AFM der Firma Nanosurf 9 als handliches und mobiles Mikroskop. Für das EasyScan AFM sowie auch für den FAMOS-Demonstrator ist die Mobilität ein wichtiger Punkt. Darum wurde beim Demonstrator der gleiche Scanner wie beim EasyScan AFM verwendet. Im Gegensatz zum EasyScan AFM arbeit der FAMOS-Demonstrator jedoch mit zwei (optional zehn) Cantilever. Dies machte einen anderen mechanischen Aufbau nötig.

Das Studium des Nanoscope (Digital Instruments), des EasyScan STM (Raster-Tunnel-Mikroskop der Firma Nanosurf) und des Raster-Tunnel-Mikroskops der ETH-Forschungsgruppe von Prof. Dr. H. von Känel war ausschlaggebend, auch beim Demonstrator einen einfachen Aufbau anzustreben. In der Entwicklungsphase weniger beachtet wurde der Aufbau, den die Raster-Kraft-Mikroskope der Firma Park Scientific Instrument verwenden. Der relativ lange mechanische Weg zwischen Probe und Cantilever dieser Mikroskope verspricht für einen Prototypen keine guten mechanischen Eigenschaften.

Konzeptioneller Aufbau der Scanning-Stage

Ein Blockdiagramm der Scanning-Stage ist in See Blockdiagramm der Scanning-Stage dargestellt:

Blockdiagramm der Scanning-Stage

Im Diagramm gelb eingezeichnet ist die Wechselwirkung der Cantilever mit der Probe, die Befestigungen sind schwarz markiert. Jede Einheit hat eine ihr zugeteilte Funktion, die in See Funktionen der Scanning-Stage-Einheiten aufgelistet ist.

Funktionen der Scanning-Stage-Einheiten

Einheit

Funktion

Probe

zu messende Oberfläche

Scanner

Translation der Probe in den Achsen x, y und z gemäss den von der Software vorgegebenen Spannungen Vx, Vy und Vz

Linear-Positionierer

grobe Einstellung der Distanz zwischen Probe und FAMOS-Sensor (Freiheitsgrad A in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" )

Mikrometer-Schrauben

Verstellung der Neigung des FAMOS-Sensors relativ zur Probe (Achsen B und C in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" )

PCB-Halter

Befestigung des Sensor-PCB und Auflage der Mikrometer-Schrauben

Sensor-PCB

Befestigung des FAMOS-2-Sensors

FAMOS-Sensor

Cantilever, dessen Auslenkung gemessen wird

Sockel/Scanning-Stage

Stabile Verankerung des Raster-Kraft-Mikroskops

Wahl der zu Grunde liegenden Anordnung

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Anordnungen der Scanning-Stage.

Schema der beiden grundlegenden Anordnungen

Die beiden Anordnungen unterscheiden sich durch die Art der Kraft, die den Cantilever gegen die Probe drückt (und umgekehrt). In Anordnung 1 ist die Auflagekraft zwischen den Mikrometer-Schrauben und dem PCB-Halter, in Anordnung 2 die Schwerkraft und die Federkraft für diese Andruckskraft verantwortlich. Wichtiger ist jedoch die Form der Scanning-Stage. In Abbildung 1 ist eine offene Form dargestellt, die relativ anfällig auf Schwingungen ist. In Abbildung 2 hingegen führt die geschlossene Form zu einer hohen Stabilität, da Schwingungen eine kleinere Amplitude haben werden. Anordnung 1 kann im allgemeinen nicht in eine kompakte Form gebracht werden, wie sie für den Demonstrator benötigt wird. Anordnung 2 bietet für kleine Abmessungen bessere Voraus­setzungen.

Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor"

In See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" sind die für die Lage der Cantilever relativ zur Probe bestimmenden Freiheitsgrade visualisiert. Der Anstellwinkel ( See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" - Drehachse B) zwischen Cantilever und Probe ist optimal bei 12°. Zudem sollte der Chip so um Achse C gedreht werden, dass alle Cantilever gleichmässig gegen die Probe drücken. Der Freiheitsgrad A bestimmt die Auslenkung der Cantilever und somit den Arbeitspunkt der Messung (Mittelstellung der Cantilever-Auslenkung).

In See römische Zahlen: Gewicht in der Selektion der Konstruktionsweise sind die Aspekte aufgeführt, die für die Wahl zwischen Anordnung 1 und 2 entscheidend waren. Die Begründungen der Kriterien in Anordnung 2 sind im Kapitel See Konstruktion der Scanning-Stage aufgeführt. Auf Kriterien der Anordnung 1 wird nicht näher eingegangen, da diese Anordnung schliesslich verworfen wurde.

römische Zahlen: Gewicht in der Selektion der Konstruktionsweise

Anordnung 1

Anordnung 2

Mechanischer Weg zwischen Probe und den Cantilevern

lang

kurz
(III)

Aufbau im allgemeinen

komplex - gross

einfach - kompakt (II)

Justierung des Anstellwinkels der Cantilever;
(Drehung um Achse B)

durch eine Mikrometer-Schraube

durch zwei gekoppelte Mikrometer-Schrauben

Justierung Neigung des Cantilever (Drehung um Achse C)

gekoppelt an Freiheitsgrad A,
Drehung um Achse C führt zu Änderung der Distanz A

entkoppelt von beiden anderen Freiheitsgraden A, B
(IV)

Optischer Einblick

Cantilever auf Oberseite - sehr guter optischer Einblick

Cantilever zwischen Chiphalter und Sockel - guter optischer Einblick

sonstiges

unerprobtes Design

Anordnung wird bereits im Digital Instruments Nanoscope verwendet
(I)

Konstruktion der Scanning-Stage

Ein Überblick über den Aufbau der Scanning-Stage ist in See Blockdiagramm der Scanning-Stage dargestellt. Diese besteht aus:

Die Scanning-Stage wurde auf MegaCAD Version 14.8 entwickelt, nachdem der grundsätzliche Aufbau auf Papier festgehalten worden war. Diese Software bietet auch 3D-Modellierung, was die Konstruktion der Scanning-Stage stark vereinfachte. Diese Visualisierung führte dazu, dass im Schlussprodukt keine unerwarteten Probleme auftraten.

Im Entwurf der Scanning-Stage war der kompakte Aufbau immer wieder ein limitierender Faktor. Die Aussenmasse der fertigen Scanning-Stage von 86 mm * 86 mm * 70 mm ergeben nicht viel Spielraum für die anzuordnenden Elemente. Unter diesen Voraussetzungen waren ausgewogene Abstriche an den einzelnen Zielsetzungen nötig, um dennoch das Optimum an Grösse und Handhabbarkeit zu erreichen.

Die Scanning-Stage wurde in der Physik-Werkstatt HPT gefertigt. Die Verwendung des Funkenerrosionsverfahrens machte konkave eckige Strukturen möglich. Das Fräsen hingegen hinterlässt immer runde konkave Ecken" mit Radien von ca. 4 mm.

Der Sockel der Scanning-Stage wurde aus Aluminium gefertigt, da viel Material durch Fräsen abgetragen werden musste und Stahl in der Bearbeitung einen Mehraufwand bedeutet hätte. Für den PCB-Halter wurde dieser Aufwand in Kauf genommen, um keine Einbusse in der Stabilität des Demonstrators zu riskieren.

Scanner

Um die Entwicklungszeit der Scanning-Stage nicht zusätzlich zu verlängern, wurde ein bestehender Scanner verwendet. Bei der Selektion standen folgende Kriterien im Vordergrund:

  • grosser Scanbereich
  • Der Scanner erlaubt kompaktes Design des Demonstrators

Üblicherweise werden für die Raster-Mikroskopie piezoelektrische Stages verwendet. Diese benötigen jedoch Spannungen von über 100 V (zum Beispiel Physic Instruments P-820.xx Low Voltage Piezotranslators": Betriebsspannung -20V bis 120 V). Diese Betriebsspannung kann nicht mit handelsüblichen Netzteilen zur Verfügung gestellt werden. Die benötigten Hochspannungs-Netzteile sind gross und schliessen deshalb ein mobiles Design aus.

Scanning-Stage Benutzersicht

Einen alternativen Scanner, der ohne hohe Betriebsspannungen auskommt, bietet die Firma Nanosurf an. Dieser Scanner befindet sich während den vier Monaten dieser Diplomarbeit noch im Prototyp-Stadium, er erfüllt jedoch alle an den Demonstrator-Scanner gestellten Anforderungen. Die Funktionsweise dieses Scanners basiert auf der Magnetostatik, d.h. Elektromagnete lenken die Probe aus. Dadurch werden auch unerwünschte Effekte von piezoelektrischen Stages vermieden. Diese haben nämlich einen zeitlichen Drift und zum Teil grosse Nichtlinearitäten. Beim stark gedämpften Nanosurf-Scanner werden Hysterese-Effekte festgestellt, die die Messqualität verschlechtern können. Die Dämpfung wird in See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners behandelt.

Die maximale Auslenkung des Scanners von Nanosurf beträgt 130 m für die x- und y-Achse und 20 m für die z-Achse. Als Spannungsversorgung benötigt er nur 15 V, was mit einem handelsüblichen getakteten Netzteil erreicht werden kann. Zudem zeichnet sich dieser Scanner durch äusserst kompakte Aussenmasse aus (35 mm * 20 mm * 16 mm). Seine Auflösung übertrifft die Genauigkeit der verwendeten DA-Konverter. Auf das dynamische Verhalten des Scanners wird im Kapitel See Analyse des Mess-Timings eingegangen.

Die z-Achse dieses Scanners ist wie erwartet senkrecht zum Probehalter angeordnet. Die x- und y-Achse hingegen sind um 45° gegenüber der Befestigungsplatte verdreht. Dies macht ein Drehen der Koordinaten in der verwendeten Elektronik oder in der Software nötig.

In See Scanning-Stage Benutzersicht und See Scanning-Stage Ansicht Rückseite ist der Scanner inklusive Probe in rosaroter Farbe dargestellt.

Linear-Positionierer

Die Aufgabe des Linear-Positionierers ist Justierung der Distanz zwischen Probe und Sensorhalter. In ihrer Translationsachse haben gängige Modelle eine Genauigkeit von ca. 3 m 10 , was für die Anwendung im Demonstrator genügt. Die Feinjustierung kann mit Hilfe des Scanners erreicht werden, der in z-Richtung einen Bereich von 0-20 m hat. Viel wichtiger ist die Stabilität des verwendeten Linear-Positionierers. Diese ist abhängig von der Art der verwendeten Lager. Es werden hauptsächlich drei verschiedene Lager verwendet: Ball Bearing Slide", Crossed Roller Bearing" und Slide Bearing". Slide Bearing" bieten nicht die Stabilität, die für die Anwendung in einem AFM benötigt wird und kommen deshalb nicht in Frage. Da die Crossed Roller Bearing" eine grössere Auflagefläche im Lager haben, ist die Stabilität dieser Lager besser, als die­jenige der Ball Bearing Slide". Diese sind jedoch meist kompakter gebaut und deshalb besser für den Einbau in der Scanning-Stage geeignet. Zusätzlich sind keine Linear-­Positionierer mit Crossed Roller Bearing" erhältlich, deren Mikrometer-Schraube nicht zentral, sondern seitlich angebracht ist. Dies ist für den Anwendungszweck im Demonstrator wichtig, da die Sicht auf den FAMOS-Chip durch eine zentrale Mikrometer-Schraube erschwert würde. (siehe See Scanning-Stage Benutzersicht - Mikrometer-Schraube seitlich am Linear-Positionierer angebracht). Aus diesen beiden Gründen wurde die 25 mm Extended Contact Bearing Steel Stage" von OptoSigma gewählt (in See Scanning-Stage Ansicht Rückseite und See Scanning-Stage Benutzersicht in gelber Farbe). Dieser zeichnet sich durch äusserst kompakte Abmessungen von 25 mm * 35 mm * 12 mm und eine seitlich angebrachte Mikrometer-Schraube aus.

Scanning-Stage Ansicht Rückseite

PCB-Halter und Sensor-PCB

Der FAMOS-Sensor wird üblicherweise auf einer kleinen Printplatte (PCB) montiert (in See Sensor-PCB mit FAMOS-2 Sensor dargestellt). Auf dieser ist ein high-density Stecker vorhanden (linke Seite in See Sensor-PCB mit FAMOS-2 Sensor ), mit dem der Sensor kontaktiert wird. Der ideale Anstellwinkel des FAMOS-Sensors ist 12° (Achse B in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ).

Sensor-PCB mit FAMOS-2 Sensor

Die Aufgabe des PCB-Halters ist es, das Sensor-PCB stabil in der gewünschten Lage zu halten. Zudem sind auf dem PCB-Halter noch die Auflagen der Mikrometer-Schrauben platziert. Eine Mikrometer-Schraube liegt auf einer Punktauflage, die zweite auf einer Schlitzauflage und die dritte auf einer Planauflage auf. Diese Auflagen müssen aus Stahl gefertigt sein, da sonst auf Grund von Abnützungserscheinungen keine stabile Halterung garantiert werden kann. Der gesamte PCB-Halter wurde aus rostfreiem Stahl gefertigt. Eingepresste Stahleinlagen hätten die seine Stabilität gefährdet.

Ein wichtiger Punkt ist auch die freie Sicht auf den Sensor. Diese muss gewährleistet werden, da sonst eine effiziente Bedienung des Raster-Kraft-Mikroskops nicht möglich ist. Durch seine offene Form ist eine visuelle Kontrolle im gewählten Aufbau gut möglich.

Für die Stabilität des gesamten Raster-Kraft-Mikroskops ist es wichtig, dass der Schwerpunkt des PCB-Halters mit dem Schwerpunkt der Auflagepunkte zusammenfällt, da sonst ein Drehmoment resultiert, welches die Auflösung des Mikroskops negativ beeinflussen kann. Im konstruierten PCB-Halter wurde dies bis auf eine Abweichung von zwei Millimetern erreicht. Eine noch kleinere Abweichung hätte Veränderungen nötig gemacht, die die Stabilität wesentlich verschlechtert hätten.

Mit drei Mikrometer-Schrauben, auf denen der PCB-Halter aufliegt, wird die Neigung des FAMOS-Sensors gewählt. Die Lage bezüglich des Freiheitsgrades C (siehe See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ) wird durch eine Mikrometer-Schraube an der Rückseite der Scanning-Stage bestimmt. Dieser Freiheitsgrad bestimmt darüber, wie gleichmässig alle Cantilever auf der Probe aufliegen. Für ein AFM mit mehreren Cantilevern ist dieser Freiheitsgrad sehr wichtig, besonders bei zehn Cantilevern macht sich eine einfache Justierung dieser Neigung bezahlt. Die Cantilever befinden sich genau auf der Drehachse des Freiheitsgrades C. Dadurch ist bei der Justierung dieser Neigung nur eine minimale Nachregelung der Distanz zwischen Probe und FAMOS-Chip nötig (Freiheitsgrad A). Durch die beiden anderen Mikrometer-Schrauben wird der Anstellwinkel des Sensors gegenüber der Probe bestimmt. Dieser wird nicht so oft wie die Neigung verstellt, die Bedienung von zwei Mikrometer-Schrauben ist dem Benutzer folglich zuzumuten.

Federaufhängung

In der gewählten Anordnung ( See Wahl der zu Grunde liegenden Anordnung ) sind die Federn sowie die Gravitation für die Andruckkraft der Cantilever an die Probe verantwortlich. Bei der Planung der Federaufhängung standen folgende Punkte im Vordergrund:

  • kein resultierendes Drehmoment auf den PCB-Halter
  • kein Schwingen der Federn während des Scan-Vorganges

Die vektorielle Summe beider Federkräfte muss für den PCB-Halter eine resultierende Kraft ergeben, die am Schwerpunkt der Auflagen angreift. Wie gefordert führt dies zu einem verschwindenden Drehmoment.

In der Planungsphase konnte ein mögliches Schwingen der Federn noch nicht aus­geschlossen werden. Es bestand daher die zusätzliche Möglichkeit, durch Dämpfung das Schwingen der Federn zu verhindern.

Mikrometer-Schrauben

In herkömmlichen Anwendungen von Mikrometer-Schrauben haben diese die Stabilität und Genauigkeit in ihrer Achse zu gewährleisten. Für die Scanning-Stage müssen sie zudem auch senkrecht zu dieser Achse ohne Spiel sein. Weiter ist eine kugelförmige Front erwünscht, da diese für die Lagerung in x-, y- und z-Richtung Stabilität bietet. Diese Anforderungen erfüllen Mikrometer-Schrauben der Firma Newport.

Im Demonstrator wurden BM 11.10 verwendet, die einen maximalen Weg von 10 mm erlauben. Entgegen Beteuerungen der Herstellerfirma haben diese Mikrometer-Schrauben senkrecht zu ihrer Achse Spiel, was jedoch erfreulicherweise die Leistung des Mikroskops nicht schmälert.

Sockel

Die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften sind für den Sockel ähnlich wie für den PCB-Halter. Es wurden zusätzlich folgende Punkte berücksichtigt.

  • kurzer mechanischer Weg zwischen Mikrometer-Schrauben (Verbindung zu PCB-Halter) und Probe
  • schwingungsresistentes Profil
  • stabile Auflage auf der Grundplatte
  • stabile Aufhängung des Scanners und des Linear-Positionierers

Eine maximale Resistenz gegen Schwingungen wurde dadurch erreicht, dass der gesamte Sockel aus einem Stück gefertigt wurde und dass der Linear-Positionierer sich im Innern einer geschlossenen Form befindet. Einen zusätzlichen Vorteil dieser Anordnung ist das optisch ansprechende und kompakte Design (siehe See Scanning-Stage ).

Scanning-Stage

Die Scanning-Stage muss stabil auf der Auflage liegen. Dies wird durch drei Gummi-Unterlagen erreicht, deren Schwerpunkt mit dem Schwerpunkt des Sockels - in horizontaler Richtung - zusammenfällt.

An der Unterseite des Sockels ist eine Öffnung vorhanden, in der eine kleine Vorverstärker-Platine (SMD-Löt/Printplattentechnik) platziert werden kann. Dies führt zu sehr kurzen Signalwegen vom FAMOS-Sensor (Signal 25*2.5V pro 1 nm Auslenkung) zum Verstärker (verstärktes Signal 0-5V), was eine mögliche Beeinträchtigung des Signals verhindern soll. Es sind am Sockel folglich drei Stecker nötig:

  • Verbindung von der Vorverstärker-Platine zu FAMOS-Sensor (19 Leitungen)
  • Verbindung von der Vorverstärker-Platine zur externen Elektronik (24 Leitungen)
  • Verbindung des Scanners mit Vorschaltelektronik (4 Leitungen)

Da die Verbindung zur externen Elektronik mit 24 Leitungen viel Platz benötigt, wird dieser Stecker direkt auf der Vorverstärker-Platine vorgesehen und ist von aussen nicht frei zugänglich. Für die beiden restlichen Stecker sind an der rechten bzw. linken Seitenfläche Aussparungen vorhanden.

Externe Elektronik I

Es wurde versucht auch in der Elektronik einen unkomplizierten Aufbau weiterzuführen. Trotzdem darf an essentiellen Punkten die Leistung des Demonstrators nicht unter diesen Beschränkungen leiden.

Aus diesem Grund wurde zunächst versucht, den ganzen Scan-Vorgang nur mittels Labview zu steuern. Dies ermöglichte den diskreten Aufbau der externen Elektronik, im Gegensatz zur Verwendung eines Mikrokontrollers.

Wahl der Schnittstellenkarte

Die Anforderungen an den Demonstrator sind in See Zielsetzung des Gesamtsystems aufgelistet. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung eines Demonstrators des FAMOS-2-Chips. Jedoch sollte der Demonstrator einfach auf das neue Sensor-Design mit zehn Cantilever umrüstbar sein. Folglich muss die Schnittstelle zwischen Elektronik und PowerBook bereits für zehn Cantilever dimensioniert werden. Alle Rechnungen in diesem Kapitel sind deshalb mit zehn anstelle von zwei Cantilever ausgeführt.

Die einfachste Fahrweise des Scanners ist das Springen von Messpunkt zu Messpunkt ohne Zwischenschritte. Solche sind aus zeitlichen Gründen nicht möglich. An jedem Messpunkt werden jeweils die Auslenkungen der zwei (optional zehn) Cantilever gemessen und die Messwerte in das PowerBook übertragen.

Informativ ist der Datenfluss im FAMOS-Demonstrator, der in See Schema Elektronik (DA/AD-Konverter) dargestellt ist.

Schema Elektronik (DA/AD-Konverter)

Um die Scanning Stage mindestens auf 10 nm genau positionieren zu können, sind bei einer maximalen Scan-Breite von 130 m für die x- und y-Achsen mindesten 14 Bit Digital-Analog-Konverter nötig ( See Schema Elektronik (DA/AD-Konverter) ). Analog ist für eine Detektion von 5 nm Cantilever-Auslenkung ein 12 Bit Analog-Digital-Konverter nötig (Annahme Auslenkung: 0-10m).

Labview kann nur Interface-Karten von National Intruments problemlos ansteuern. Weiter muss die Schnittstellenkarte am PCMCIA-Bus betrieben werden können, da ein PowerBook verwendet wird. All diese Kriterien lassen nur noch folgende beiden Schnittstellenkarten von National Instruments zu.

analoge Schnittstellenkarte

DAQCard-AI-16E-4

digitale Schnittstellenkarte

DAQCard-6533

Input analog

8*16Bit bei 20kS (kSamples)

keine

Digital lines input/output

8 Bit quasi-statisch

4*8 Bit + 2*4 Bit bei 200kByte/s

sonstiges

kein Hand-Shaking

sehr schnelle digitale Schnittstelle mit diversen Hand-Shaking-Protokollen

Als einfachere Lösung drängt sich zunächst die analoge Schnittstellenkarte auf. Bei Verwendung dieser Karte übernimmt der Computer die gesamte Steuerung des Messablaufes. Dies macht den Datendurchsatz auf der Schnittstellenkarte für die Gesamtgeschwindigkeit zu einem sehr wichtigen Punkt.

In See Abschätzung der Zeit für die Messung eines Pixels mittels DAQCard-AI-16E-4 sind alle Ein- und Ausgaben, die für die Messung eines Pixels mittels der analogen Schnittstellenkarte nötig sind, aufgeführt. Die eingetragenen Zeiten sollten nur als untere Grenze betrachtet werden. Eine detaillierte Betrachtung ist im Kapitel ­ See Analyse des Mess-Timings ausgeführt.

Abschätzung der Zeit für die Messung eines Pixels mittels DAQCard-AI-16E-4

Transfer

Datenmenge

benötigte Zeit

Ausgabe der x-Koordinate - inklusive Adressierung der Register

4 Byte

120 s 11

Ausgabe der 10 Cantileveradressen - Auswahl des Cantilevers

10* 1 Byte

600 s

Einlesen der 10 Cantilever-Auslenkungen auf Analog-Input der Schnittstellenkarte bei 20 kS/s

10* 2 Byte

500 s

Total

34 Byte

1220 s

Die resultierenden 1.2 ms entsprechen für 512 Messpunkte pro Zeile einer Zeilen­frequenz von 1.6 Hz. Diese Geschwindigkeit beinhaltet weder eine Anzeige auf dem PowerBook noch Wartezeiten bis der Scanner seine Position erreicht hat oder Ver­zögerungen durch die Elektronik.

Diese unbefriedigenden Resultate führten zur Favorisierung der high-speed Digital-Karte. Diese macht eine aufwendigere externe Elektronik nötig, da diese sowohl die DA- als auch den AD- Wandler beinhalten muss. Zudem wird ein selbständiges Messen aller Cantilever in der externen Elektronik implementiert (siehe See Aufbau der externen Elektronik I ).

Abschätzung des Timings mit digitaler Schnittstellenkarte DAQ 6533

Transfer

Datenmenge

benötigte Zeit [s]

Ausgabe der x-Koordinate - inklusive Adressierung der Register

4 Byte

120 s 12

Ausgabe des Start-Signals an externe Elektronik

1 Byte

30 s

Einlesen der Cantilever-Auslenkung auf digitalem Bus (12 Bit bei 200 kB/s)

10 * 2 Byte

100 s

Total

25 Byte

250 s

Aus See Abschätzung des Timings mit digitaler Schnittstellenkarte DAQ 6533 wird ersichtlich, dass der zusätzliche Aufwand in der externen Elektronik eine erheblich höhere Scan-Geschwindigkeit bewirkt. Da das Ziel des FAMOS-Projektes ( See FAMOS-Projekt ) die Steigerung der Scan-Geschwindigkeit ist, sollte der Demonstrator, verglichen mit einem herkömmlichen AFM, mindestens ansatzweise eine erhöhte Geschwindigkeit bieten. Folglich hat man sich für eine Lösung mit der digitalen Schnittstellenkarte entschieden.

Analyse des Mess-Timings

Da es das Ziel des FAMOS-Projektes ist, die Scan-Geschwindigkeit des Raster-Kraft-Mikroskops zu steigern, sollte auch auf die Scan-Geschwindigkeit des Demonstrators näher eingegangen werden. Ein wichtiger Engpass in Bezug auf die Geschwindigkeit sind die Ein- und Ausgaben des PowerBooks. Auf diese wird in diesem Kapitel näher eingegangen.

In den folgenden Berechnungen wird die Zeit, die das PowerBook zur Verarbeitung, Aufbereitung und Darstellung der Daten benötigt, vernachlässigt. Diese ist jedoch für alle vorgestellten Modelle identisch. Auf eine Optimierung in diesem Punkt wird im Kapitel See Ansteuerungs-Software FAMOSoft 1.0" eingegangen.

Es werden im folgenden Abschnitt drei Modelle verglichen:

Im Modell 1 sind folgende Ein- und Ausgaben des Power-Books für die Messung an einem Messpunkt nötig:

Ausgabe der Scanner-Position (higher und lower Byte der x-Koordinate)
  1. Settling-Time des Scanners abwarten
  2. Anwahl des 1. Cantilevers
  3. Abwarten der Settling-Time des Multiplexers und des Operationsverstärkers
  4. Starten der AD-Wandlung und Abwarten der Conversion-Time
  5. Einlesen des Messwertes 1 (higher and lower Byte)
  6. Anwahl des 2. Cantilevers
  7. Abwarten der Settling-Time des Multiplexers und des Operationsverstärkers
  8. Starten der AD-Wandlung und Abwarten der Conversion-Time
  9. Einlesen des Messwertes 2 (higher and lower Byte)
  10. Anwahl des 3. Cantilevers
  11. Abwarten der Settling-Time des Multiplexers und des Operationsverstärkers
  12. Starten der AD-Wandlung und Abwarten der Conversion-Time
  13. Einlesen des Messwertes 3 (higher and lower Byte)
  14. usw.

Für das Modell 2 muss zudem ein FIFO (siehe See Glossar ) auf der externen Elektronik vorhanden sein. Der Ablauf sieht für dieses Modell folgendermassen aus:

Ausgabe der Scanner-Position (higher und lower Byte der x-Koordinate)
  1. Settling-Time des Scanners abwarten
  2. Anwahl des 1. Cantilevers
  3. Abwarten der Settling-Time des Multiplexers und des Operationsverstärkers
  4. Starten der AD-Wandlung
  5. Anwahl des 2. Cantilevers
  6. Abwarten der Settling-Time des Multiplexers und des Operationsverstärkers
  7. Starten der AD-Wandlung
  8. Anwahl des 3. Cantilevers
  9. Abwarten der Settling-Time des Multiplexers und des Operationsverstärkers
  10. Starten der AD-Wandlung
  11. usw.

Die Messwerte werden in diesem Modell während dem Einschwingen des Scanners (typischerweise 2 ms) aus dem FIFO gelesen.

Im Modell 3 übernimmt die externe Elektronik zudem das Durchzählen der Cantilever. Der Ablauf hat folgende Struktur:

Ausgabe der Scanner-Position (higher und lower Byte der x-Koordinate)
  1. Settling-Time des Scanners abwarten
  2. starten der Messung
  3. abwarten, bis Messung beendet ist

In diesem Modell werden die Messwerte auch während dem Einschwing-Vorgang des Scanners ausgelesen.

Die Ausgangswerte der folgenden Analyse sind in See aufgeführt:

Aktion

benötigte Zeit 13

A - Port Out:

Ausgabe eines Bytes auf einen Port der DAQ 6533 Schnittstelle

24 s

B - Port In:

Liest ein Byte von einem Port der DAQ 6533 Schnittstelle

24 s

C - Burst-Mode Start:

Startet Burst-Mode und liest Daten aus Buffer (siehe Burst-Mode in Glossar)

30s

D - Burst-Mode Read:

Liest Daten von der Schnittstelle der DAQ 6533 im Burst-Mode

0.4 s

E - Scanner Delay:

Abwarten, bis der Scanner nach einer Translation seine Messposition erreicht hat 14

1000 s

F - Settling Time Multiplexer und Operationsverstärker:

Abwarten, bis der Multiplexer, der zwischen den zehn Cantilevern umschaltet und der nachgeschaltete Operationsverstärker eingeschwungen sind

10 s

G - AD-Conversion Time:

Abwarten, bis der AD-Wandler die analoge Spannung in den 12-Bit Wert konvertiert hat.

10 s

Im ersten Modell (siehe 1 in See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ) wird der Demonstrator über Port-Out- (A) und Port-In-Befehle (B) gesteuert.

Die für die Messung eines Pixels in diesem Modus benötigten Aktionen sind in See Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 1 aufgeführt. In der zweiten Spalte sind die für die Aktion benötigten Zeiten aufgeschlüsselt.

Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 1

Aktion

Benötigte Aktionen (siehe See )

Setzen der x-Koordinate

6 * A = 144 s

Settling Time des Scanners

E = 1000 s

Anwahl aller zehn Cantilever (1)

10 * A = 240 s

Settling Time des Multiplexers und Operationsverstärker für jeden der 10 Cantilever (2)

10 * F = 240 s

Conversion Time des AD-Wandlers (3)

10 * G = 240 s

Einlesen der 10 Messwerte (10*2 Byte) (4)

10 * 2 * B = 480 s

Total

2064 s

In See Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 1 ist auffallend, dass das Einlesen der 10 Messwerte (1, 2, 3, 4) einen grossen Teil der Sequenz ausmacht. Jedoch muss das Auslesen der Messwerte nicht direkt im Messablauf stattfinden. Durch einen Zwischenspeicher (FIFO) auf der externen Elektronik (Modell 2 in See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ) kann diese Aktion während des Scanner-Delays (F) ausgeführt werden. Dies ergibt eine Reduktion der Zeit pro Pixel von 2064 s auf 1624 s

(4 findet nicht im direkten Mess-Ablauf statt)

Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang

Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass die externe Elektronik selbständig jeden einzelnen Cantilever adressiert, die Auslenkung misst und den digi­talen Messwert in den Zwischenspeicher (FIFO) aufnimmt (Modell 2 in See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ). Diese Version führt zu einer weiteren Geschwindigkeits-Steigerung, die Messung eines Pixels benötigt nur noch 1244 s. Die benötigten Aktionen sind in See Steuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 3 aufgelistet. In See Zeitliche Aufteilung des Mess-Vorgang ist das Timing der drei Versionen graphisch dargestellt.

S teuerung des Raster-Kraft-Mikroskops im Modell 3

Aktion

Benötigte Aktionen (siehe See )

setzen der x-Koordinate

6 * A = 144 s

Settling Time des Scanners - Gleichzeitiges Auslesen der schon gemessenen Daten aus dem FIFO

E = 1000 s

Settling Time des Multiplexers und Operationsverstärker für jeden der 10 Cantilever (2), anschliessende Initialisierung der AD-Wandlung

10 * F = 100s

Total

1244 s

In der externen Elektronik I sind alle drei Varianten implementiert. Durch Jumper kann zwischen diesen Versionen gewählt werden. Mit dieser Lösung führen mögliche Fehler im digitalen Teil der Schaltung nicht zu einem Totalausfall der externen Elektronik.

Aufbau der externen Elektronik I

Der gewählte Aufbau ist in See Schema externe Elektronik dargestellt.

Schema externe Elektronik

Die externe Elektronik ist in einen digitalen und einen analogen Teil gegliedert. Der ­analoge Teil stellt die Bias-Ströme und Spannungen, die vom FAMOS-Sensor benötigt werden, sowie die Spannungsversorgung des digitalen Teils zur Verfügung.

Der digitale Teil wird über einen 8-Bit Daten-Bus (Port A auf der DAQ-6533-Schnittstellenkarte) und über einen 8-Bit Adress-Bus (Port B) gesteuert.

Das automatische Messen der aller Cantileverauslenkungen wird mittels zwei Counter bewerkstelligt. Der eine generiert das Scanner-Delay, der andere übernimmt das Durchzählen der Cantilever. Nach dem Start einer Messung (Messung aller Cantilever-Aus­lenkungen an einem Messpunkt) beginnt der erste Counter rückwärts zu zählen. Sobald er null erreicht hat, startet die eigentliche Messung. Der zweite Counter beginnt beim ersten Cantilever, selektiert diesen und initiiert im AD-Wandler eine Konvertierung. Anschliessend wird zum nächsten Cantilever umgeschaltet...

Durch einen Jumper kann zwischen zwei und zehn Cantilever umgeschaltet werden, was für den Einsatz zukünftiger Sensoren wichtig ist.

Das Schema der externe Elektronik I wurde komplett ausgearbeitet und anschliessend die Platine entworfen. Da sich jedoch im Laufe dieser Arbeit herausstellte, dass der Scan-Vorgang nicht aus dem Labview gesteuert werden kann (siehe See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners ) wurde die Platine nicht hergestellt. Es wird an dieser Stelle nicht detailierter auf die externe Elektronik I" eingegangen - die Schaltpläne sind im Anhang dieses Berichts abgebildet.

Dynamisches Verhalten des
Nanosurf Scanners

Der im Demonstrator verwendete Scanner wird elektromagnetisch betrieben und besitzt für die drei Achsen drei rücktreibende Federn. Als Dämpfung für die Achsen dient eine Dämpfungspaste (viskose Flüssigkeit). Durch die Menge der verwendeten Paste kann die Dämpfung eingestellt werden.

Das dynamische Verhalten des Scanners wird gut durch das Modell harmonischer Oszillator mit Dämpfung" beschrieben. Mit Hilfe dieses Modells soll im folgenden Abschnitt das dynamische Verhalten des Scanners untersucht werden.

Verhalten eines harmonischen Oszillators mit Dämpfung

Das Modell harmonischer Oszillator mit Dämpfung" See Unbehauen, Regelungstechnik I - Lineare Kontinuierliche Regelsysteme", Vieweg-Verlag , See F. K. Kneubühl, Repetitorium der Physik", Teubner Studienbücher , See L. D. Landau & E. M. Lifschitz, Mechanik", Verlag Harri Deutsch beschreibt einen Massepunkt unter Einfluss einer rücktreibenden Feder und eine zur seiner Geschwindigkeit proportionalen Reibungskraft. Dieses System wird ohne äussere Kräfte durch die Differentialgleichung See beschrieben.

: Eigenkreisfrequenz des Systems

: Abklingzeit des Systems

Je nach Wert von sind drei charakteristische Verhaltensweisen des schwingenden Massepunktes beobachtbar: unterkritische, kritische und überkritische Dämpfung.

unterkritische ( =6), kritische ( =1) und überkritische ( =0.8) Dämpfung( , f=130Hz,)

Das Verhalten hängt in der folgenden Weise vom Q-Faktor ab:

> 1 : unterkritische (schwache) Dämpfung

= 1 : kritische Dämpfung

< 1 : überkritische (starke) Dämpfung

Beim Nanosurf-Scanner wurde unterkritisches Verhalten (schwache Dämpfung) gemessen. Die Gleichung See beschreibt die Lösung der Differentialgleichung See für diesen Fall.

: Startwert

: Startwert

: Kreisfrequenz der gedämpften Schwingung

Gemessene Sprungantworten

Für das Verhalten in einem AFM ist die Reaktion des Scanners auf einen Sprung als Anregung interessant, weil digitale Schaltungen nur stufenförmige und keine kontinuierlichen Übergänge generieren können. In See Gemessene Sprungantwort des Scanners in z-Richtung bei minimaler Dämpfung, inkl. Fit der Gleichung 4 , See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnellen Achse mit mittlerer Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 und See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 ist das Verhalten des Scanners auf eine Sprunganregung bei unterschiedlicher Dämpfung dargestellt. Die eingepassten Funktionen verwenden See .

Gemessene Sprungantwort des Scanners in z-Richtung bei minimaler Dämpfung, inkl. Fit der See

Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnellen Achse mit mittlerer Dämpfung, inklusive Fit der See

Gemessen wurde jeweils die Reaktion des Scanners in seiner schnellen Achse 15 und seiner z-Achse. Ein Messen der langsamen Achse war aus Platzgründen nicht möglich. Da die schnelle Achse mit einer höheren Frequenz betrieben wird sind diese Messungen der schnellen Achse für eine Anwendung im Demonstrator interessanter.Es wurden drei verschiedene Dämpfungsstufen gemessen: schwache Dämpfung (wie geliefert), mittlere Dämpfung und starke Dämpfung. Das Dämpfverhalten dieses Scanners wird durch das Auftragen von viskoser Paste auf die rücktreibenden Blatt-Federn des Scanners eingestellt.

Messung

Kreisfrequenz [Hz]

Abklingzeit

z-Achse, Dämpfung schwach
(wie geliefert)

700.8

2.51

schnelle Achse, Dämpfung schwach (wie geliefert)

1131

7.17

schnelle Achse, Dämpfung mittel

1257

4.22

schnelle Achse, Dämpfung maximal

1236

2.19

Je kleiner die Dämpfung des Scanners eingestellt war, umso besser passte die Gleichung See in die gemessenen Daten. Dies erklärt die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Dämpfungsfaktor. Die gemessene Abklingzeit spiegelt die eingestellt Dämpfung wieder.

Auch bei maximaler Dämpfung konnte kritische oder sogar überkritische Dämpfung nicht erreicht werden (siehe See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 ). Jedoch traten aufgrund der starken Dämpfung Hystereseeffekte auf, die sich ungünstig auf den Demonstrator auswirken können.

Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der See

Schlussfolgerung für den Demonstrator

In See Gemesssene Sprungantwort des Scanners auf der schnelle Achse mit maximaler Dämpfung, inklusive Fit der Gleichung 4 ist ersichtlich, dass der Scanner bei maximaler Dämpfung noch über 10 ms lang ausschwingt. Für eine Treppenfunktion, wie sie in einem AFM generiert wird, hat dies zur Folge, dass der Scanner sich aufschwingen kann. In mehreren Messungen wurde dieses, die Messung negativ beeinflussende, Verhalten bemerkt. In See Gemessene Antwort auf Treppenfunktion, Zeitkonstante 10 ms, maximale Dämpfung ist das Verhalten des Scanners unter Anregung einer Treppenfunktion abgebildet. Zwischen den einzelnen Schritten wird jeweils 10 ms gewartet, was für die Anwendung im Demonstrator nicht möglich ist. Für 1 Hz Zeilenfrequenz ist 4 ms die maximale Wartezeit. Zu Beginn dieser Messung zeigt der Scanner das erwartete Verhalten: ein Ausschwingen nach jedem Sprung. Später beginnt der Scanner sich jedoch aufzuschwingen, wobei die Amplitude ein Vielfaches der Sprungweite beträgt. Dieses Verhalten war in vielen Messungen festzustellen, konnte jedoch nicht reproduzierbar erzeugt werden. Der Grund ist womöglich im ansteuernden Programm - Labview - zu suchen. Labview und das MacOS 8.6 sind keine Echtzeitplattformen. Folglich sind die Wartezeiten zwischen den Schritten unterschiedlich lang und können nicht reproduziert werden.

Gemessene Antwort auf Treppenfunktion, Zeitkonstante 10 ms, maximale Dämpfung

Während der Scan-Rampe superponieren diese Einschwingvorgänge und ergeben das Muster, das in See Gemessene Antwort auf Treppenfunktion, Zeitkonstante 10 ms, maximale Dämpfung dargestellt ist. Ein solches Verhalten kann in einem AFM nicht toleriert werden. Aus diesem Grund kann die Verbindung Labview und externe Elektronik I" nicht wie vorgesehen verwendet werden. An seine Stelle tritt die externe Elektronik II", die eine komplexe Ansteuerung des Scanners ermöglicht. Wird als Anregung des Scanners eine Dreiecks-Funktion (in 16-Bit Auflösung) verwendet, so werden, abgesehen von den Bereichen nach den Umkehrpunkten, keine Schwingungen erzeugt (siehe See Simulation der Scan-Rampe ).

Analyse der Scan-Rampe

Nach Kapitel See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners haben Beschleunigungen des Scanners Schwingungen zur Folge, die die Qualität der Messung beeinflussen können. Aus diesem Grund kommt der Art der Scan-Rampe eine wichtige Bedeutung zu.

Im Gegensatz zu Sinus-Schwingungen haben Rechteck-, Dreieck und Sägezahnfunktionen ein sehr breites Frequenzspektrum. Durch die geeignete Wahl der Frequenz einer Sinus-Anregung können Schwingungen deshalb effektiv verhindert werden. Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz des Scanners kein Vielfaches der Frequenz der Sinus-Anregung.

Scan-Rampen 2-4 (Beim Fahren nach rechts wird gemessen)

Die Generierung von Sinus-Schwingungen ist jedoch mit einem erheblichen elek­tronischen Aufwand verbunden. Technisch einfacher ist die Synthese einer Dreiecks-Funktion. Ausser an den Umkehrpunkten herrscht bei einer Dreiecks-Funktion keine Beschleunigung. In See Scan-Rampen 2-4 (Beim Fahren nach rechts wird gemessen) dargestellt sind drei mögliche Rampen, die auf einer Dreiecks-Funktion beruhen. Sie unterscheiden sich durch den Fahrweg der langsamen Achse. In See sind die Vor- und Nachteile der in Betracht gezogenen Rampen aufgeführt. Rampe 1 und 2 könnten nur mit erheblichem Aufwand implementiert werden und sind für eine Anwendung im Demonstrator zu komplex.

Rampe

schnelle Achse

langsame Achse

Vorteil

Nachteil

1

Sinus-Funktion

gleichförmige Bewegung

minimale Anregung von Schwingungen

komplexe Generierung

2

Dreiecks-Funktion

gleichförmige Bewegung

geringe Anregung von Schwingungen

Fahrweg nicht parallel zur Kante der Messfläche,
komplexe Generierung

3

Dreiecks-Funktion

Sprung nach jeder gemessenen Zeile

keine Schwingungen unmittelbar vor der Messung

Befahren (eventuelle Beschädigung) der Zeile vor der Messung

4

Dreiecks-Funktion

Sprung vor jeder gemessenen Zeile

erstmaliges Befahren der Zeile bei Messung

Sprung in Richtung der langsamen Achse unmittelbar vor Messung, führt zu Schwingungen

Eine typische Probe für den Demonstrator ist ein Mikrochip. Seine Oberfläche ist hart und wird durch das AFM kaum beschädigt. Da für dies Probe der Nachteil der Rampe 3 nicht ins Gewicht fällt wurde diese Fahrart gewählt, um Schwingungen während der Messung zu vermeiden.

Simulation der Scan-Rampe

Um den Einfluss der gewählten Scan-Rampe auf die Messqualität abzuschätzen, wurde der Scan-Vorgang simuliert. Verwendet wurde die Simulink Tool-Box unter Matlab. Wie in Kapitel See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners festgestellt wurde, verhält sich der Scanner wie ein harmonischer Oszillator mit Dämpfung. Dieses System zweiter Ordnung besitzt die Übertragungsfunktion See .

: Kreisfrequenz des harmonischen Oszillators

: Abklingzeit des Systems

Die Übertragungsfunktion beschreibt die Reaktion eines Systems auf eine Anregung im Frequenzraum. Wird das Produktes der Übertragungsfunktion mit der Anregung rücktransformiert, so erhält man das System-Verhalten im Ortsraum. Simulink berechnet diese Antwort x(t) numerisch.

Als Anregung des Systems wurde eine Dreiecks-Funktion generiert. Um das System jedoch realitätsnaher zu simulieren, wurde diese Dreiecks-Funktion als Treppenfunktion mit Stufen von 3 nm verwirklicht. Zudem wurde der Anregung ein gaussförmiges Rauschen beigemischt, das eine Varianz von 1 nm hat. Dies entspricht dem erwarteten Rauschverhalten der 16-Bit-DA-Wandler.

Als Parameter für die Übertragungsfunktion wurden diejenigen der schnellen Achse des schwach gedämpfen Scanners verwendet ( =1131 Hz, ).

Die Ergebnisse dieser Simulation waren sehr vielversprechend. Es wurde ein Ausschwingen des Scanners nach den Umkehrpunkten der anregenden Dreiecksfunktion festgestellt. Dieses dauert jeweils etwa 50 ms an, was die Leistung des Scanners nicht stark beeinträchtigt. In den schwingungsfreien Bereichen bestand die simulierte Reaktion des Scanners aus einer gleichförmigen Bewegung, die eine hohe Messgenauigkeit bei Verwendung dieser Rampe verspricht.

In See Simulierte Reaktion des Nanosurf-Scanners (schnelle Achse) auf eine diskretisierte Dreiecks-Funktion (Amplitude 19 m, Frequenz 20 Hz) ist das simulierte Verhalten des Scanners auf die oben beschriebene Anregung abgebildet (Frequenz der Dreiecksfunktion = 20 Hz, Amplitude 19 m). Die Zeilenfrequenz ist nur zur Betonung des Schwingens nach den Umkehrpunkten so hoch gewählt. Im Demonstrator werden sicher nie Zeilenfrequenzen über vier Hertz verwendet. Das Schwingen erstreckt sich in diesem Fall über eine entsprechend kleineren Bereich der Dreiecksfunktion.

Als Vergleich ist in See Gemessene Antwort des Scanners in seiner schnellen Achse auf eine Dreiecks-Funktion (Amplitude 23 m, Frequenz 20 Hz, generiert durch HP Funktionsgenerator) die gemessene Anwort des Scanners auf eine Dreiecks-Funktion mit einer Frequenz von 20 Hertz abgebildet. Die Übereinstimmung dieser beiden Diagramme ist beeindruckend.

Simulierte Reaktion des Nanosurf-Scanners (schnelle Achse) auf eine diskretisierte Dreiecks-Funktion (Amplitude 19 m, Frequenz 20 Hz)

Gemessene Antwort des Scanners in seiner schnellen Achse auf eine Dreiecks-Funktion (Amplitude 23 m, Frequenz 20 Hz, generiert durch HP Funktionsgenerator)

Externe Elektronik II

Im Kapitel See Dynamisches Verhalten des Nanosurf Scanners wurde festgestellt, dass der Scanner nicht mit der in der externen Elektronik I vorgesehenen Scan-Rampe betrieben werden kann. Um in der Wahl der Scan-Rampe möglichst flexibel zu bleiben, hat man sich für eine neue Lösung mit Hilfe eines Mikrokontrollers entschieden. Dabei sollte für mögliche Änderungen an der Scan-Rampe nur eine einfache Anpassung der Software nötig sein, die sich auf der externen Elektronik II befindet.

Zeitgemässe serielle Schnittstellen (RS-232) können mit einer maximalen Baud-Rate (Bits per Second) von 115 kBit/s betrieben werden. Bei einer Zeilenfrequenz von einem Hertz fallen bei zehn Cantilevern mit 12 Bit Auflösung, 512 Messpunkten pro Zeile 82 kBit an. Diese Datenmenge kann nicht innerhalb einer Sekunde über die serielle Schnittstelle übertragen werden, ohne den Mikrokontroller so stark zu belasten, dass die Mess-Qualität darunter leidet. Aus diesem Grund ist auch für die externe Elektronik II eine schnelle digitale Schnittstellenkarte notwendig. Um von den gesammelten Erfahrungen mit der DAQ-6533-Schnittstellenkarte zu profitieren, wurde diese Karte mit der externen Elektronik II verwendet.

Aufbau

Eine zentrale Stellung in der externen Elektronik II nimmt der Mikrokontroller C161 von Siemens ein. Er übernimmt die gesamte Ansteuerung des AD- und aller DA-Wandler. Dies macht einen erheblich kleineren Aufwand im diskreten Teil der digitalen Elektronik notwendig.

Als Entwicklungsumgebung stand für den Siemens C161 eine Evaluations-Version des C-Compilers und Debuggers inklusive Simulator von Keil zur Verfügung. Der vom Compiler generierte Code darf 8 kB nicht überschreiten. Für den Demonstrator stellte dies jedoch keine echte Einschränkung dar.

Blockdiagramm der externen Elektronik II
(schwarze Pfeile: digitale Signale; graue Pfeile: analoge Signale)

Durch die Verwendung einer kompletten Developer-Platine wurde die Entwicklung der externen Elektronik II stark beschleunigt. Diese Developer-Platine beinhaltet bereits 64 kB RAM, 256 kB Flash-Memory (siehe See Glossar ) und zwei serielle Schnittstellen. Zu dieser bestehenden Platine musste noch eine gemischt analoge und digitale Peripherie-Platine entwickelt werden.

Der Siemens C161-Mikrokontroller ist ein 16-Bit-Prozessor, der mit 16 MHz betrieben wird und 63 Ein- und Ausgänge ansprechen kann. Ein grosser Teil dieser Ports wird jedoch bereits durch die Speicherbausteine und die serielle Schnittstelle beansprucht. Es bleiben 32 frei definierbare Ein- und Ausgänge.

Durch die Selektion eines Cantilevers durch den Multiplexer beginnt ein Cantilever-Mess-Zyklus. Nachdem sich der Multiplexer und die Verstärkerstufe auf die anliegende Cantilever-Spannung eingeschwungen haben, kann diese Spannung durch den AD-Wandler konvertiert werden. Der C161 initiiert eine Messung durch das Senden eines Pulses an den AD-Konverter. Der verwendete AD-Wandler (Burr-Brown ADC 7820) benötigt 10s für die Analog-Digital-Konvertierung. Ist diese beendet, wird der Messwert in das FIFO geschrieben (siehe See Glossar ). Das FIFO ist so geschaltet, dass die gespeicherten Messdaten im Burst-Mode der DAQ-6533-Schnittstellenkarte (siehe See Glossar ) ausgelesen werden können.

Interface des Mikrokontrollers

Bei der Verwendung der externen Elektronik II dient das PowerBook lediglich als Anzeigeinstrument und zur Festlegung der Scan-Fläche.

Die Parameter, die dem Mikrokontroller übergeben werden, benötigen ein oder zwei Byte Speicherplatz. Ein 8-Bit Datenbus vom Steuerungs-Computer zum Mikrokontroller ist folglich angebracht. Da mehr als 16 Parameter zu setzen sind, wäre mindestens ein 5-Bit Adress-Bus nötig. Um die Anzahl der benötigten Ein- und Ausgänge des Mikrokontrollers zu reduzieren, wurde ein Multiplexing des Daten- und Adressbusses implementiert. Eine Leitung (zusätzlich zum 8-Bit Daten- und Adressbus) entscheidet, ob Daten oder eine Adresse auf dem Bus anliegen. Diese Anordnung ermöglicht 255 verschiedene Adressen, was sicher für den Demonstrator ausreicht.

Messablauf

Die externe Elektronik II arbeitet zeilenorientiert. Das PowerBook übergibt die nötigen Parameter dem Mikrokontroller. Dieser misst anschliessend die Cantilever-Auslenkungen an den gewünschten Messpunkten 16 .

Um eine beschleunigungsfreie Rampe zu generieren, muss die Zeit pro Pixel konstant sein, unabhängig davon, ob gemessen wird, oder nicht.

Messablauf des Grob-Scans für die Messung von vier Cantilevern

Wird für einen Grob-Scan (Messen des maximalen Scanbereichs) die Rampe mit der Auflösung der 16-Bit DA-Wandler (0-65536) generiert, so darf bei einer Zeilenfrequenz von 1 Hz die Zeit pro Pixel maximal 7.7s betragen. Zum einen kann diese Zeit mit dem Mikrokontroller nicht erreicht werden, zum andern kann so nicht bei jedem Pixel ein Cantilever gemessen werden (wie in See Messablauf des Grob-Scans für die Messung von vier Cantilevern dargestellt). Der verwendete AD-Konverter benötigt 10 s für eine komplette AD-Wandlung. Deshalb wird beim Grob-Scan nur jeder zweite mögliche Punkt von 16 Bit Auflösung angefahren. Es stehen dann pro Pixel 15.4 s zur Verfügung, was für den Mikrokontroller und für den AD-Konverter ausreichend ist.

In See Ablauf für Grob-Scan mit vier Cantilever (Zeitachse vertikal) ist der zeitliche Ablauf für den Grob-Scan-Modus explizit für zwei Mess­punkte dargestellt. Das Einschwingen der Verstärkerstufe und des Multiplexers benötigt weniger als 12 s. Die Verweildauer an einem Pixel von 15.4 s ist auch für diesen Einschwingvorgang genügend lang.

Ablauf für Grob-Scan mit vier Cantilever (Zeitachse vertikal)

Pixel

selektierter Cantilever

Verstärkerstufe und Multiplexer

AD-Wandler

8

0

10

0

Einschwingen auf Signal des Cantilever 0

12

1

Einschwingen auf Signal des Cantilever 1

Konvertierung des Signals vom Cantilever 0

14

2

Einschwingen auf Signal des Cantilever 2

Konvertierung des Signals vom Cantilever 1

16

3

Einschwingen auf Signal des Cantilever 3

Konvertierung des Signals vom Cantilever 2

18

0

Konvertierung des Signals vom Cantilever 3

20

0

22

0

24

0

Einschwingen auf Signal des Cantilever 0

26

1

Einschwingen auf Signal des Cantilever 1

Konvertierung des Signals vom Cantilever 0

28

2

Einschwingen auf Signal des Cantilever 2

Konvertierung des Signals vom Cantilever 1

30

3

Einschwingen auf Signal des Cantilever 3

Konvertierung des Signals vom Cantilever 2

32

4

Konvertierung des Signals vom Cantilever 3

Pro Pixel hat der Mikrokontroller folgende Aufgaben in der angegebenen Reihenfolge zu erledigen:

Triggern des AD-Wandlers, falls nötig
  1. Auswahl des nächsten Cantilevers
  2. Setzen der x- und y-Koordinaten im DA-Konverter
  3. Verzögerungsschlaufe durchlaufen

Unbeachtet, ob eine Messung stattfindet oder nicht, muss die Verweilzeit pro Pixel gleich sein, um eine konstante Fahrgeschwindigkeit zu garantieren.

Messablauf des Fein-Scans für die Messung von vier Cantilevern

Im Grob-Scan-Modus kann jeder Cantilever nur einmal pro zehn Pixel gemessen werden (bei zehn Cantilever). Wird eine höhere Auflösung benötigt, so verwendet man den Fein-Scan-Modus ( See Messablauf des Fein-Scans für die Messung von vier Cantilevern ). In diesem Modus werden pro Pixel alle Cantilever gemessen. Weil die Verweildauer (10 Cantilever * 10 s=100s) an jedem Pixel gleich gross sein muss (konstante Fahrgeschwindigkeit), ist die Geschwindigkeit für einen Fein-Scan klein. Er wird nur für hochauflösende Messungen mit einer kleinen Scan-Fläche verwendet.

Für den Approach wird eine weitere Betriebsart benötigt. Im Single-Modus werden alle Cantilever am aktuellen Ort gemessen und die Messwerte ins FIFO geschrieben. Dieser Modus ist für System-Tests und für die Justierung der Scanning-Stage vorgesehen.

Ansteuerungs-Software FAMOSoft 1.0"

In der Ansteuerungs-Software FAMOSoft 1.0" wollte man folgende Ziele erreichen:

Die ersten beiden Ziele stehen für einen Demonstrator im Vordergrund, da diese unmittelbaren Einfluss auf den Zuschauer haben. Die restlichen Punkte sind jedoch hinter­gründig wichtiger, da diese Punkte darüber entscheiden, ob überhaupt Cantilever demonstriert werden können (z.B. Bruch der Cantilever oder Bedienungsfehler).

Die Steuerungs-Software wurde in Labview 5.0 programmiert. Diese Sprache ermöglicht ein einfaches Ansprechen von Schnittstellenkarten und Messinstrumenten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Programmiersprachen basiert Labview nicht auf dem sequentiellen Ausführen von Befehlen, sondern auf dem Verfolgen von Informationsflüssen. Natürlich werden diese Informationsflüsse intern auf die herkömmliche Art (sequentiell) verarbeitet, was eine Übersetzung notwendig macht, welche die Abarbeitung des Programms verlangsamt.

Mit der Verwendung der externen Elektronik II wird die eigentliche Messung durch den Mikrokontroller gesteuert. Für den Messprozess werden durch das Powerbook nur die Mess-Parameter dem Mikrokontroller übergeben und die gemessenen Daten angezeigt. Neben der reinen Messung können so auf dem PowerBook auch Routinen implementiert werden, die die Bedienung des Demonstrators unkomplizierter machen oder sogar seine Leistung erhöhen (siehe See Ausblick ).

Ablauf

In See Flussdiagramm der gesamten Software ist ein Überblick des Gesamt-Ablaufes der Software abgebildet. Der gestreifte Block ist aus Zeitgründen noch nicht implementiert.

Flussdiagramm der gesamten Software

Zu Beginn einer Messung gelangt man in das Approach-Window (siehe See Approach Window ) wo die Distanz zwischen Probe und Cantilever eingestellt wird. Zudem kann auch die Neigung der Cantilever (Freiheitsgrad C in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ) und der Anstellwinkel (Freiheitsgrad B in See Freiheitsgrade des Systems Probe und FAMOS-Sensor" ) eingestellt. Anschliessend gelangt man in das Scan-Window ( See Bildschirm-Ausdruck der FAMOSoft (Scan-Window) ), wo die tatsächliche Messung gestartet wird. Wird ein Nachjustieren benötigt, so kann in das Approach-Window umgeschaltet werden.

Vorgesehen, aber noch nicht implementiert ist das Pre-Scan-Window. In diesem Window findet ein Probe-Scan statt, der den Cantilever vor einer möglichen Beschädigung schützt und die Neigung der Probe detektiert.

Approach Window

Approach-Window

Das Approach-Window dient als Benutzerunterstützung beim Kontaktieren der Probe durch den Cantilever. Durch das Einstellen der z-Auslenkung des Scanners wird auch der Arbeitspunkt des FAMOS-Chip bestimmt.

Zu Beginn des Approach-Vorganges stellt der Benutzer manuell (Linear-Positionierer) die Distanz zwischen Probe und Cantilever ein. Eine Feineinstellung ist im Approach-Window möglich, in welchem die Probe mit Hilfe des Scanners feinpositioniert werden kann.

Das Flussdiagramm des Approach-Window ist in See Flussdiagramm des Approach-Window dargestellt. Beim Start des Approach-Window wird auf eine Benutzereingabe gewartet. Das zu der Eingabe ­passende Unterprogramm wird anschliessend gestartet.

  • Im Reset"-Unterprogramm wird der Cantilever maximal von der Probe weggefahren. Dies ist zum Beispiel vor dem Ende einer Mess-Session notwendig.
  • Die Button up", down", fine up" und fine down" ermöglichen ein manuelles Einstellen der z-Auslenkung des Scanners.
  • Get Contact" fährt die Cantilever sukzessiv näher an die Probe bis Kontakt besteht. Ein Erfolg wird durch einen Signalton bestätigt.
  • Set Working-Point" stellt die z-Auslenkung des Scanners so ein, dass die gewünschte Auslenkung des Cantilevers erreicht wird.
  • Set z-Deflection" stellt die gewünschte z-Auslenkung des Scanners ein, wobei der Cantilever durch eine Regelung vor einer Überlastung geschützt wird.
  • Go to Scan-Window" startet den Scan-Modus
  • Quit" beendet FAMOSoft 1.0"

Flussdiagramm des Approach-Window

Scan-Window

Im Scan-Window (siehe See Bildschirm-Ausdruck der FAMOSoft (Scan-Window) ) findet die tatsächliche Messung statt. Zudem ist eine erste Verarbeitung der gemessenen Daten (via Detail-View) möglich. In See Flussdiagramm des Scan-Window ist der Ablauf dieses Moduls dargestellt.

Flussdiagramm des Scan-Window

Es können folgende Aktionen gewählt werden:

  • clear Measurement" löscht die aktuellen Messdaten
  • save Measurement" speichert die aktuellen Messdaten in einer Datei (Format: Komma-Separierte Textdatei). Diese kann in allen gängigen Wissenschafts-Programmen eingelesen und weiterverarbeitet werden.
  • continuous Scan" startet den Scan-Vorgang. Er wird durch den Button Stop" unterbrochen.
  • scan one Image" startet die Messung eines Bildes.
  • 3D-View" speichert die gemessenen Daten in einer Datei auf dem Desktop des PowerBooks. Diese Datei kann mittels eines Matlab-Programms räumlich dargestellt werden.
  • refresh Display" aktualisiert die Anzeige
  • detail-View" startet das Unterprogramm Detail-View". In diesem ist eine Betrachtung der Messdaten eines Cantilevers bildschirmfüllend möglich. Zudem kann eine erste Verarbeitung der gemessenen Daten vorgenommen werden.
  • go to Approach" schaltet in das approach-Window um
  • Quit" beendet FAMOSoft 1.0

In See sind die Parameter, die im Scan-Window gesetzt werden können, erklärt.

Parameter

Funktion

Position Middlepoint x/y

Koordinaten des Mittelpunktes der Scan-Fläche [signed word] 17

Width

Breite des Scan-Bereichs [signed word]

Height

Höhe des Scan-Bereichs [signed word]

Resolution

Anzahl der Messpunkte pro Linie [0..512]

z-Deflection

aktuelle z-Auslenkung des Scanners
(meist im Approach-Window bestimmt)
[signed 16-Bit Wert]

Wait-State

Anzahl der Warteschlaufen-Durchgänge pro Messpunkt
[ganze Zahl: 0-200]

update Display every ... line

Anzahl der zu messenden Linien, zwischen jeder Bildschirmaktualisierung [ganze Zahl: 1..Resolution]

2D/1D-View

Bestimmt die Darstellung der gemessenen Daten

2D : Intensity-Plot

1D : Oscilloscope-Mode

Bildschirm-Ausdruck der FAMOSoft (Scan-Window)

Pre-Scan-Window

Im Laufe der ersten Messungen hat sich herausgestellt, dass für einen Grob-Scan (100 m * 100 m) der Neigung der Probe eine wichtige Bedeutung zukommt. Diese Neigung kann jedoch nicht justiert werden, da das Gewicht des Probenhalters beschränkt ist. Ein Ausweg ist das Scannen in einer schiefen Ebene. Dabei ist die z-Auslenkung des Scanners während dem Scannen nicht konstant, sondern von der x- und y-Auslenkung des Scanners abhängig. Das Pre-Scan-Window soll die Neigung der Probe durch einen Probe-Scan bestimmen. Dieser Probe-Scan hat eine sehr geringe Auflösung und soll zudem den Cantilever vor einem möglichen Bruch schützen. Folgendes Vorgehen wird für jeden Messpunkt verwendet:

minimale z-Auslenkung des Scanners (maximale Distanz zwischen Probe und Cantilever)
  1. sukzessive Annäherung der Cantilever an die Probe bis gewünschter Arbeitspunkt erreicht ist

Dieses Vorgehen verunmöglicht Beschädigungen der Cantilever. Durch das Einpassen einer Ebene in das gemessene Höhenprofil wird die Neigung der Probe bestimmt. In folgenden Scan-Vorgängen wird nun in dieser schiefen Ebene gescannt.

Implementierung

Für die Implementierung von FAMOSoft standen folgende Punke im Vordergrund

  • hohe Geschwindigkeit beim Scannen
  • strukturierte Programmierung
  • gute Skalierbarkeit (2 oder 10 Cantilever)
  • ansprechende Optik (Graphical-User-Interface)

Die zwei Routinen im Scan-Vorgang, die die Scan-Geschwindigkeit bestimmen, sind das Übertragen der Daten von der externen Elektronik in das Powerbook und ihre Darstellung. Die Verwendung des Burst-Modes der DAQ-6533 ergab eine deutliche Verringerung des Zeitaufwandes für die Datenübertragung. Um die Darstellungsgeschwindigkeit weiter zu steigern, kann die Anzahl der gemessenen Zeilen pro Bildschirm-Aktualisierung bestimmt werden. Durch diese beiden Massnahmen erreicht man eine Zeilenfrequenz der Software von über 3 Hz.

Um die eventuelle Erweiterung von FAMOSoft zu erleichtern, ist strukturierte Programmierung unabdingbar. In Labview wird dies durch Sub-VIs bewerkstelligt. Ihre Verwendung erzeugt jedoch eine Geschwindigkeitseinbusse. Aus diesem Grund wurden in geschwindigkeitskritischen Programm-Teilen möglichst wenige Sub-VIs verwendet. In den übrigen Teilen wurde grosser Wert auf eine klare Struktur im Programm gelegt.

Von Anfang an wurde die FAMOSoft für eine beliebige Anzahl Cantilever programmiert. Die Anzahl der dargestellten Cantilever ist nur durch den vorhandenen Arbeitsspeicher und die Geschwindigkeit des PowerBooks beschränkt. Dies macht einen einfachen Umstieg vom FAMOS-2-Sensor auf neue Entwicklungen möglich.

Paralleles Scannen führt zu sehr grossen Datenmengen, die angezeigt werden müssen. Die Bedienungselemente der Steuerungs-Software haben folglich nicht mehr viel Platz zur Verfügung. Um einer unübersichtlichen Bedienungsoberfläche entgegenzuwirken, können die meisten Aktionen in Pull-down-Menus erreicht werden. Erreicht wurde auf diese Weise eine graphische Benutzer-Oberfläche, die auch leicht auf zehn Cantilever erweitert werden kann, ohne überladen zu wirken.

Labview für komplexe Programme

Ein grosser Vorteil von Labview ist, dass diese Programmier-Sprache eine sehr kurze Einarbeitungszeit in Anspruch nimmt. So können sehr schnell kleinere Projekte realisiert werden. Jedoch hat sich in dieser Diplomarbeit gezeigt, dass Labview sehr schlecht für Programme mit stark sequenziellem Charakter geeignet ist. FAMOSoft besteht zu einem grossen Teil aus Befehlsabfolgen, die sehr schlecht auf die Verarbeitung von Informationsflüssen, wie sie in Labview verwirklicht sind, abbilden lassen. Zudem ist die Implementierung der Struktur case", die in FAMOSoft sehr oft verwendet wird, sehr unflexibel und aufwendig.

Weiter ist die Abstraktionsmöglichkeit von Labview sehr beschränkt. In herkömmlichen Programmiersprachen können Probleme durch die Verwendung von Unterprogrammen in logische Blöcke zerteilt werden. In Labview ist dies auch möglich, jedoch ist die Variable-Übergabe an Sub-VIs sehr aufwendig und führt durch viele Zuleitungen zu einem überladenen Programm.

Andererseits bietet Labview bereits viele vorgefertigte Lösungen, die in eigene Projekte übernommen werden können. So entfällt der grosse zeitliche Aufwand, der sonst zum Beispiel für die Programmierung des Benutzer-Interfaces benötigt wird.

Resultate

Da der FAMOS-Demonstrator nicht wie vorgesehen mit der externen Elektronik I betrieben werden kann, sondern eine komplexere externe Elektronik II benötigt, konnte das Gesamtsystem nicht bis zum Abgabetermin dieser Diplomarbeit fertiggestellt werden. Dennoch liess sich das Gesamtsystem mit Hilfe einer Testelektronik auf seine Funktionstüchtigkeit hin überprüfen. Diese Testelektronik umfasst drei 16-Bit DA-Wandler und einen 12-Bit AD-Konverter. Sie wird wie die externe Elektronik I und II an der Schnittstellenkarte DAQ 6533 betrieben und ermöglicht das Scannen eines einzelnen Cantilevers bei reduzierter Geschwindigkeit. Die konstanten Ströme und Spannungen, die der FAMOS-2-Chip benötigt, werden durch den FAMAMP 18 bereitgestellt. Zudem verstärkt dieser die Sensorsignale auf den vom AD-Wandler der Testelektronik benötigten Pegel.

Der FAMOS-Demonstrator (ohne externe Elektronik II)

Mit dem beschriebenen Aufbau konnten die folgenden Punkte teilweise beurteilt werden:

Das Handling der Scanning-Stage betreffend traten keine überraschenden Konstruktionsfehler auf. Die Scanning-Stage lässt sich unkompliziert und sicher bedienen. Einzig das Einhängen und Lösen der Federn ist noch verbesserungswürdig. Ein passendes Werkzeug könnte diesen Vorgang vereinfachen. Die Software unterstützt den Benutzer bei seinen Messungen gut, auch wenn einige Punkte noch zu bemängeln sind. Zum Beispiel haben alle Positionsdaten in der aktuellen Version die Einheit Pixel" (signed word). Eine direkte Eingabe in Mikrometern würde die Bedienung der Software stark verein­fachen.

Es hat sich gezeigt, dass für die Bedienung des Demonstrators eine starke hochwertige Lichtquelle und ein optisches Mikroskop notwendig sind. Ohne diese Hilfsmittel ist eine Beschädigung der Cantilever vorprogrammiert.

Auch ein erhöhter Schutz der Cantilever durch die Software wird benötigt. Die Software sollte eine Beschädigung der Cantilever durch den Benutzer verunmöglichen. Mit zahlreichen zusätzlichen Sicherheitsroutinen in FAMOSoft könnte man diesem Ziel näher kommen.

In See Scan eines CMOS-Magnetfeld-Sensors (Auflösung 400 * 400 Messpunkte) ist ein Probe-Scan der Interdigital-Struktur eines Mikrochips dargestellt. Weiter konnte aus der Force-Distance-Messung (siehe See Force-Distance Messung (FAMAMP Gain: 50, Sensitivität des Cantilevers: 1.3 V/nm) ) die Sensitivität eines FAMOS-Sensors (Side B, safe) bestimmt werden. Sie beträgt 1.35 V/nm.

Diese beiden Messungen lassen auf eine grosse Stabilität der Scanning-Stage schliessen. Wäre die Scanning-Stage instabil, so hätte es in See Scan eines CMOS-Magnetfeld-Sensors (Auflösung 400 * 400 Messpunkte) möglicherweise Versetzungen und der Kontakt-Bereich in der Force-Distance-Messung wäre nicht so linear.

Scan eines CMOS-Magnetfeld-Sensors (Auflösung 400 * 400 Messpunkte)

Force-Distance Messung
(FAMAMP Gain: 50, Sensitivität des Cantilevers: 1.3 V/nm)

Ausblick

Zur Zeit des Abgabetermins dieser Diplomarbeit befindet sich die externe Elektronik II kurz vor der Testphase. Der Einsatz dieses Moduls verspricht für den Demonstrator:

Die Verwendung des Mikrokontrollers in der externen Elektronik II ermöglicht, wie im Kapitel See Externe Elektronik II beschrieben wird, ein schnelles Scannen. Bei Verwendung der vorgeschlagenen Rampe ( See Analyse der Scan-Rampe ) wird höchstwahrscheinlich die geforderte laterale Auflösung von 10 nm erreicht werden. Bei einem unvorhergesehenen Verhalten zum Beispiel der Mechanik kann durch Umprogrammierung des Mikrokontrollers die externe Elektronik angepasst werden.

Grosse Verbesserungs-Möglichkeiten liegen auch in der Software. Ein verbesserter Schutz der Cantilever würde beispielsweise die Bedienung des Demonstrators vereinfachen. Durch Schutz-Routinen in der Software könnte eine Beschädigung der Cantilever während dem Scan-Vorgang nahezu ausgeschlossen werden. Die Darstellung von Strukturen könnte durch einen Gradienten-Ausgleich verbessert werden. Durch diese Operation würde die Neigung der Probe erkannt und durch die Software ausgeglichen. Bei Grob-Scans dominieren nämlich meist die Cantileverauslenkungen, die durch eine Schieflage der Probe und nicht durch die zu untersuchenden Strukturen verursacht werden.

Zudem steht eine Erweiterung von zwei auf zehn Cantilever an. Obwohl die externe Elektronik bereits für zehn Cantilever dimensioniert ist, wird möglicherweise eine neue externe Elektronik zu entwickeln sein. Da der FAMOS-10-Sensor andere Bias-Ströme und Versorgungsspannungen als der FAMOS-2-Sensor benötigt, muss der analoge Teil vollkommen neu entworfen werden. Der digitale Teil der externen Elektronik kann jedoch übernommen werden. Ein einfaches Update der Scan-Software auf dem Mikrokontroller sollte genügen. Auch die Erweiterung der PowerBook-Software (FAMOSoft) sollte problemlos möglich sein. Da diese Steuerungssoftware bereits für eine beliebige Anzahl Cantilever programmiert wurde, wird hauptsächlich eine Anpassung der Bedienungs-Oberfläche notwendig sein.

Diese dargelegten Perspektiven versprechen beeindruckende AFM-Bilder, die auf Interessenten für den FAMOS-Sensor überzeugend wirken.

Literatur

  1. D. Lange, T. Akiyama, C. Hagleitner, A. Tonnin, H. R. Hidber, P. Niedermann, U. Staufer, N. F. de Rooij, O. Brand, and H. Baltes, "Parallel Scanning AFM with on-Chip Circuitry in CMOS Technology", Technical Digest MEMS (1999) 447-452.
  2. M. Kittel, Festkörperphysik, Teubner Studienbücher
  3. T. Müller, T. Feichtinger, G. Breitenbach, M. Brandl, O. Brand, and H. Baltes, "Industrial fabrication method for arbitrarily shaped silicon n-well micromechanical structures", Proc. IEEE MEMS `98, pp. 240 - 245, 1998
  4. Ph. Niedermann, W. Hänni, D. Morel, A. Perret, N. Skinner, P.-F. Indermühle, N.F. de Rooij, P.-A. Buffat, "CVD diamond probes for nanotechnology", Appl. Phys. A, vol. 66, pp. 31-34, 1998
  5. Ph. Niedermann, W. Hänni, S. Thurre, M. Gjoini, A. Perret, N. Skinner, and N. F. de Rooij, "Mounting of Micromachined Diamond Tips and Cantilevers", Surface Interface Analysis , to be published.
  6. T. Akiyama, U. Staufer, and N. F. de Rooij, "Wafer- and piecewise Si tip transfer technologies for aplications in scanning probe microscopy", to be published in J. Micromech. Microeng., March `99
  7. Unbehauen, Regelungstechnik I - Lineare Kontinuierliche Regelsysteme", Vieweg-Verlag
  8. F. K. Kneubühl, Repetitorium der Physik", Teubner Studienbücher
  9. L. D. Landau & E. M. Lifschitz, Mechanik", Verlag Harri Deutsch
  10. Rebecca Howland & Lisa Benatar, A Practical Guide to Scanning Probe Microscopy", Park Scientific Instruments

Glossar

Burst-Mode

Strobed Data-Transfer, bei dem ein sehr hoher Durchsatz erreicht werden kann (bis 20 MB/s).

Neben den Datenleitungen werden drei Handshake-Leitungen verwendet. PCLK - Clock-Leitung, ACK - Acknoledge und REQ-Request. Die ACK-Leitung ist high (active high), falls die Schnittstellenkarte bereit ist Daten zu senden/empfangen. Die Peripherie legt die Leitung REQ auf high (active high), falls die Peripherie bereit ist. Bei jeder steigenden Flanke von PCLK werden Daten übertragen, falls ACK und REQ high sind.

FIFO

Speicherbaustein, der nach dem Prinzip first in - first out" funktioniert. Bei steigender Flanke des Write-Clock wird ein Datenwert in den Speicher geschrieben. Analog führt eine steigende Flanke des Read-Clock zum Auslesen eines Datenwertes. Diese Funktionsweise ist sehr geeignet, um z.B. in der Peripherie zeitlich unabhängig vom steuernden PowerBook zu sein. Ein FIFO kann in Zusammenarbeit mit der DAQ 6533 Schnittstellenkarte im Burst-Mode sehr schnell ausgelesen werden (20 MB/s).

Grösster Hersteller von FIFO ist IDT, aber auch AMD stellt diese Speicherbausteine her.

Port-out

Manuelles Setzen eines Ausgabeports oder Einlesen der anliegenden Signale ohne Hand-Shake

PCMCIA

Bus, der in portablen Computer verwendet wird. Er ist hot-pluggable (d.h. im Betrieb lassen sich PCMCIA-Karten entfernen und installieren). Er ist jedoch langsamer, als der PCI-Bus, und ein DMA-Mode ist nicht möglich.

DAQ 6533 (PCMCIA-Version)

Schnelle Digitalkarte mit zahlreichen Hand-Shake-Varianten. Es sind 32 digitale Lines vorhanden, die in Labview in 4-Bit-Gruppen angesprochen werden können (port-out/in). Mit Handshake können nur ganze Bytes angesprochen werden. Erreicht werden im Burst-Mode ca. 100 kByte/s (im Gegensatz zur PCI-Version:20 MByte/s). Die Signale der Hand-Shake-Leitungen sind im Burst-Mode sehr schlecht: bei 20 MHz hat das PCLK-Signal einen Pegel von -5 V bis 12 V.

Flash-Memory

In Mikrokontrollern wird meist ein nicht-flüchtiger Speicher benötigt(Speicherinhalt bleibt ohne Stromversorgung erhalten). Im Falle des Developer-Boards Siemens 161 sind dies Flash-Memory-Bausteine. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie zur Programmierung keine hohen Spannungen benötigen und mehrmals beschreibbar sind. Für die Anwendung in einem Prototypen drängen sich aus diesem Grund Flash-Memories geradezu auf.

Memory-Typ

beschreibbar durch

löschbar
durch

speziell

RAM

5 V

5 V

verliert ohne Versorgungsspannung Speicherinhalt

ROM

Maske in Produktion

nicht löschbar

PROM

hohe Spannungen

nicht löschbar

EPROM

hohe Spannungen

UV-Strahlung

EEPROM

12.5 V

12.5 V

langsameres schreiben als lesen, nur blockweise

Flash-ROM

5 V

5 V

langsameres schreiben als lesen, nur blockweise

Anhang

Programmierung des C161

Als Entwicklungsumgebung für die Programmierung des C161 diente eine Evaluations-Version des Vision 2.0 von Keil. Der damit generierte Code darf 8 kByte nicht übersteigen. Vision ist ein integrierter Assembler- und ANSI-C-Compiler mit integriertem Debugger und Simulator. Das allgemeine Vorgehen für die Programmierung des C161 ist Folgendes:

Für einen Standalone-Betrieb des Evaluations-Boards Phytec C161 muss das zu startende Programm sich auf dem Flash-Memory befinden. Dies benötigt spezielle Einstellungen im Linker des Vision 2, in See Einstellung Linker für Standalone-Betrieb des Phytec C161-Board abgebildet. Zudem muss in Ouput-Einstellungen die Generierung eines HEX-Files eingeschaltet sein. Durch F7 wird der Build-Prozess gestartet. Anschliessend ist folgenderweise vorzugehen:

Einstellung Linker für Standalone-Betrieb des Phytec C161-Board

Schnittstellendefinitionen Elektronik I

DAQ 6533/externe Elektronik I

Pin - Direction

Bezeichnung

Funktion 6533

Funktion externe Elektronik

37 i

A0

Input Data-Bus Bit 0

Data in

39 i

A1

Input Data-Bus Bit 1

Data in

38 i

A2

Input Data-Bus Bit 2

Data in

40 i

A3

Input Data-Bus Bit 3

Data in

35 i

A4

Input Data-Bus Bit 4

Data in

42 i

A5

Input Data-Bus Bit 5

Data in

36 i

A6

Input Data-Bus Bit 6

Data in

41 i

A7

Input Data-Bus Bit 7

Data in

47 i

B0

Input Address-Bus Bit 0

Adressierung Register und DA-Wandler - Bit 0

50 i

B1

Input Address-Bus Bit 1

Adressierung Register und DA-Wandler - Bit 1

44 i

B2

Input Address-Bus Bit 2

Adressierung Register und DA-Wandler - Bit 2

48 i

B3

Input Address-Bus Bit 3

Start der Messung (active high)

49 i

B4

Input Address-Bus Bit 4

manuelle Cantileverwahl:

Bit 0 der Cantileveradressierung

automatisches Messen:

Reset des FIFOs

43 i

B5

Input Address-Bus Bit 5

Bit 1 der manuellen Cantileveradressierung

46 i

B6

Input Address-Bus Bit 6

Bit 2 der manuellen Cantileveradressierung

45 i

B7

Input Address-Bus Bit 7

Bit 3 der manuellen Cantileveradressierung

14 o

C0

Output Data-Bus Bit 0

Data out

12 o

C1

Output Data-Bus Bit 1

Data out

13 o

C2

Output Data-Bus Bit 2

Data out

11 o

C3

Output Data-Bus Bit 3

Data out

16 o

C4

Output Data-Bus Bit 4

Data out

9 o

C5

Output Data-Bus Bit 5

Data out

15 o

C6

Output Data-Bus Bit 6

Data out

10 o

C7

Output Data-Bus Bit 7

Data out

4 o

D0

Output Data-Bus Bit 8

Data out

1 o

D1

Output Data-Bus Bit 9

Data out

7 o

D2

Output Data-Bus Bit 10

Data out

3 o

D3

Output Data-Bus Bit 11

Data out

2 o

D4

Cantilever-Nummer Bit 0

Data out

8 o

D5

Cantilever-Nummer Bit 1

Data out

5 o

D6

Cantilever-Nummer Bit 2

Data out

6 o

D7

Cantilever-Nummer Bit 3

Data out

27 i

EACK

send signal for Burst-Mode Input

6533 is ready to transfer data (active high)

33 o

EREQ

finished measure - ready to transfer next coordinate (active low)

externe Elektronic is ready to transfer data (active high)

31 i

EPCLK

Burst-Mode clock

18 i

FACK

6533: ready to receive data (active high)

6533: ready to receive data (active high)

24 o

FREQ

FIFO not empty (active high)

externe Elektronic is ready to transfer data (active high)

22 i

FPCKL

readout clock

read-clock of the FIFO (positive edge)

17,19,21,23,25,26,28,30,32,34

GROUND

Ground

Ground

i: DAQ 6533 ---> externe Elektronik

o: externe Elektronik ---> DAQ 6533

Register/DA-Wandler-Adressierung

3 - 8 Line-Decoder (active low)

Register Name

Leitung low

Beschreibung

xh

0

nur setzen von Register, keine Wandlung

xl

1

setzen von Register und Wandlung

yh

2

nur setzen von Register, keine Wandlung

yl

3

setzen von Register und Wandlung

zh

4

nur setzen von Register, keine Wandlung

zl

5

setzen von Register und Wandlung

dcs

6

setzen von Delay-Register

neutral

7

kein CS

Externe Elektronik Digital-Board/Scanner-Elektronik

Pin

Bezeichnung

1

Ground

2

x [10V]

3

y [10V]

4

z [10V]

5

Versorgungsspannung +15V

6

Versorgungsspannung -15V

Externe Elektronik analog/Board-Scanning-Stage

Unsafe Version - B-Side

Pin

Name

Wert

18

IBias_1

-100A

15

gnda

+2.5V

16

Substrate

0V

13

vdd

5V

14

Out1-

25*2.5V/nm

11

Out1+

25*2.5V/nm

12

SelectAB

+5V für Seite B

9

Chopper

Jumper (0/5V)

10

Out2-

25*2.5V/nm

7

Out2+

25*2.5V/nm

8

IBias1B-

0-(-100)A

5

IBiasB+

-100A

6

IBias2B-

0-(-100)A

3

BrB_vdd

5V

4

BrB_gnd

0V

1

gnd

0V

2

IBias_2

-100A

20

SensorSelect_0 (2 Sensoren Variante 0/1)

0/5V

21

SensorSelect_1

0/5V

22

SensorSelect_2

0/5V

23

SensorSelect_3

0/5V

24

SensorSignal amplified

0-5V

Schnittstellendefinition Elektronik II

DAQ 6533/externe Elektronik

Pin - Direction

Bezeichnung

Funktion 6533

Funktion externe Elektronik

37 i

A0

Input Data/Adress-Bus Bit 0

Data in

39 i

A1

Input Data/Adress-Bus Bit 1

Data in

38 i

A2

Input Data/Adress-Bus Bit 2

Data in

40 i

A3

Input Data/Adress-Bus Bit 3

Data in

35 i

A4

Input Data/Adress-Bus Bit 4

Data in

42 i

A5

Input Data/Adress-Bus Bit 5

Data in

36 i

A6

Input Data/Adress-Bus Bit 6

Data in

41 i

A7

Input Data/Adress-Bus Bit 7

Data in

47 i

B0

Multiplexing Adress/Data

Data in

50 i

B1

Reset FIFO (active low)

Data in

44 i

B2

48 i

B3

49 i

B4

43 i

B5

46 i

B6

45 i

B7

14 o

C0

Output Data-Bus Bit 0

Data out

12 o

C1

Output Data-Bus Bit 1

Data out

13 o

C2

Output Data-Bus Bit 2

Data out

11 o

C3

Output Data-Bus Bit 3

Data out

16 o

C4

Output Data-Bus Bit 4

Data out

9 o

C5

Output Data-Bus Bit 5

Data out

15 o

C6

Output Data-Bus Bit 6

Data out

10 o

C7

Output Data-Bus Bit 7

Data out

4 o

D0

Output Data-Bus Bit 8

Data out

1 o

D1

Output Data-Bus Bit 9

Data out

7 o

D2

Output Data-Bus Bit 10

Data out

3 o

D3

Output Data-Bus Bit 11

Data out

2 o

D4

Cantilever-Nummer Bit 0

Data out

8 o

D5

Cantilever-Nummer Bit 1

Data out

5 o

D6

Cantilever-Nummer Bit 2

Data out

6 o

D7

Cantilever-Nummer Bit 3

Data out

27 i

EACK

send signal for Burst-Mode Input

33 o

EREQ

finished masure last colon (high when turning back)

finished

31 i

EPCLK

Burst-Mode clock

18 i

FACK

6533: ready to receive data (active high)

6533: ready to receive data (active high)

24 o

FREQ

FIFO not empty (active high)

externe Elektronic is ready to transfer data (active high)

22 i

FPCKL

readout clock

read-clock of the FIFO (positive edge)

17,19,21,23,25,26,28,30,32,34

GROUND

Ground

Ground

i: DAQ 6533 ---> externe Elektronik

o: externe Elektronik ---> DAQ 6533

Externe Elektronik Digital-Board/Scanner-Elektronik II

Pin

Bezeichnung

1

Ground

2

x [10V]

3

y [10V]

4

z [10V]

5

Versorgungsspannung +15V

6

Versorgungsspannung -15V

Adressierung C161 - Elektronik II

Befehl/Parameter

Variable

Wert

neutral

neutral

0

startet Messung einer Zeile grob

stargrob

1

startet Messung einer Zeile fein

startfein

2

startet Messung am aktuellen Punkt

startsingle

3

x-Koordinate lower Byte (signed integer)

xl

11

x-Koordinate higher Byte (signed integer)

xh

12

y-Koordinate lower Byte (signed integer)

yl

13

y-Koordinate higher Byte (signed integer)

yh

14

z-Koordinate lower Byte (signed integer)

zl

15

z-Koordinate higher Byte (signed integer)

zh

16

Anzahl Durchgänge durch Warteschlange

delay

17

Schrittweite in x-Richtung pro Pixel

stepx

18

Schrittweite in y-Richtung pro Messpunkt

mesureStepy

19

Messung jedes n-ten Pixels

mesureStepx

20

Anzahl der Messpunkte pro Zeile lower Byte

numberL

21

Anzahl der Messpunkte pro Zeile higher Byte

numberH

22

Anzahl Pixel zwischen Messung jeden Cantilevers

cantileverHoldoff

23

Neigungsparameter aL (z=c+x/a+y/b)

aL

24

Neigungsparameter aH

aH

25

Neigungsparameter bL

bL

26

Neigungsparameter bH

bH

27

Neigungsparameter cL

cL

28

Neigungsparameter cH

cH

29

Schnittstellendefinition Mikrokontroller

Funktion

Richtung

Name

Destination

Daten/Adress-Bus Bit 0 Steuerung

in

P3.2

DAQ6533 A0

Daten/Adress-Bus Bit 1 Steuerung

in

P3.3

DAQ6533 A1

Daten/Adress-Bus Bit 2 Steuerung

in

P3.4

DAQ6533 A2

Daten/Adress-Bus Bit 3 Steuerung

in

P3.5

DAQ6533 A3

Daten/Adress-Bus Bit 4 Steuerung

in

P3.6

DAQ6533 A4

Daten/Adress-Bus Bit 5 Steuerung

in

P3.7

DAQ6533 A5

Daten/Adress-Bus Bit 6 Steuerung

in

P3.8

DAQ6533 A6

Daten/Adress-Bus Bit 7 Steuerung

in

P3.9

DAQ6533 A7

Steuerung Multiplexing

(0: Adress; 1: Data)

in

P3.13

DAQ6533 B0

Datenbus Bit 0 DA-Wandler

out

P1.0

DAC 725 D0

Datenbus Bit 1 DA-Wandler

out

P1.1

DAC 725 D1

Datenbus Bit 2 DA-Wandler

out

P1.2

DAC 725 D2

Datenbus Bit 3 DA-Wandler

out

P1.3

DAC 725 D3

Datenbus Bit 4 DA-Wandler

out

P1.4

DAC 725 D4

Datenbus Bit 5 DA-Wandler

out

P1.5

DAC 725 D5

Datenbus Bit 6 DA-Wandler

out

P1.6

DAC 725 D6

Datenbus Bit 7 DA-Wandler

out

P1.7

DAC 725 D7

Chip-Select DA-xyz A0 = DA-xy A2

out

P1.8

DAC 725 (1,2) A0=A2

Chip-Select DA-xyz A1

out

P1.9

DAC 725 (1,2) A1

Chip-Select DA-xy CS(A)

out

P1.10

DAC 725 (1) CS(A)

Chip-Select DA-xy CS(B)

out

P1.11

DAC 725 (1) CS(B)

Chip-Select DA-z CS(A)

out

P1.12

DAC 725 (2) CS(A)

Chip-Select DA-z CS(B)

out

P1.13

DAC 725 (2) CS(B)

AD RC

out

P1.14

ADS7820 R/C

finished

out

P1.15

DAQ6533 REQ1

Cantilever Bit 0

out

P2.9

Cantilever Multiplexer 0

Cantilever Bit 1

out

P2.10

Cantilever Multiplexer 1

Cantilever Bit 2

out

P2.11

Cantilever Multiplexer 2

Cantilever Bit 3

out

P2.12

Cantilever Multiplexer 3

Cantilever-Auslenkung Bit 9

in

P2.13

ADC Bit 9

Cantilever-Auslenkung Bit 10

in

P2.14

ADC Bit 10

Cantilever-Auslenkung Bit 11

in

P2.15

ADC Bit 11

Cantilever-Auslenkung Bit 11

in

Cantilever-Auslenkung Bit 10

in

Cantilever-Auslenkung Bit 9

in

Cantilever-Auslenkung Bit 8

in

Siemens C161-Programme

Eigentliches Mess-Programm

#pragma large MOD167

#include <stdio.h> /* standard I/O .h-file */

#include <reg165.h> /* special function register 80C165 */

#include <absacc.h>

// Variablen und Konstantendefinition

unsigned char stepx=1; /* Step per Pixel */

int x=0; /* x-, y-, z-Coordinate */

int y=0;

int xg; /* rotated x, y */

int yg;

int z=32000;

unsigned int measurestepx=125; /*step betweeen each measurement in Pixel */

unsigned int measurestepy = 125; /* step between measurement for slow axis */

unsigned char delay=0; /* Delay for each Pixel */

unsigned int number=256; /* Number of measurement per line */

unsigned int adc=0xFF;

unsigned int cantilever=0;

const maxcantilever = 1; /*number of last cantilever (1 for 2 Cantilevers, 9 for 10) */

const anzcantilever = 2;

const onemorethancant = 3;

void initserial (void) {

/* init physical memory model */

BUSCON0 |= 0x003F; /*; 0 Wait no Delay */

/* initialize the serial interface */

P3 |= 0x0400; /* SET PORT 3.10 OUTPUT LATCH (TXD) */

DP3 |= 0x0400; /* SET PORT 3.10 DIRECTION CONTROL (TXD OUTPUT) */

DP3 &= 0xF7FF; /* RESET PORT 3.11 DIRECTION CONTROL (RXD INPUT) */

S0TIC = 0x80; /* SET TRANSMIT INTERRUPT FLAG */

S0RIC = 0x00; /* DELETE RECEIVE INTERRUPT FLAG */

S0BG = 0x33; /* SET BAUDRATE TO 9600 BAUD AT 16MHZ */

S0CON = 0x8011; /* SET SERIAL MODE */

}

void initports (void) {

// sets the direction of the ports for ChipSelect and Data

// Write Direction of Port 2 (Input)

P1L |= 0xFF;

DP1L |= 0xFF;

P1H |= 0xFF;

DP1H |= 0xFF;

P2 |= 0x7F00;

DP2 |= 0x7F00;

}

void updateDAC (void)

{

xg=x-y;

yg=x+y;

P1L=xg >> 8; // write xgH to Data-Bus

P1H=0x79; // write A1 and x/y CS(A)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

P1L=xg; // write xgL to Data-Bus

P1H=0x7A; // write A0=A2 and x/y CS(A)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

P1L=yg >>8; // write ygH to Data-Bus

P1H=0x75; // write A1 and x/y CS(B)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

P1L=yg; // write ygL to Data-Bus

P1H=0x76; // write A1 and x/y CS(B)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

// noch z-Achse

}

void scanbig () {

int maxx;

int startx;

maxx=stepx*(measurestepx*number+onemorethancant)+x;

startx=x; // fr die Rckfahrt

cantilever=0;

for (x=x;x!=maxx;x=x+stepx) {

if (cantilever==measurestepx) cantilever=0;

else cantilever++;

// Now writing the data out to the port

xg=x-y;

yg=x+y;

//printf (x : %0d \n",x);

//printf (y : %0d \n\n",y);

//printf (cantilever : %0d \n",cantilever);

//printf (adc : %0d \n\n\n",adc);

P1L=xg >> 8; // write xgH to Data-Bus

P1H=0x79; // write A1 and x/y CS(A)

if ((cantilever<onemorethancant) & (cantilever))

P1H=0x3F; // convert and not finished and no CS

else P1H=0x7F; // no conversion and not finished and no CS

// change cantilevernumber

P2=(cantilever & 0xF) << 9;

P1L=xg; // write xgL to Data-Bus

P1H=0x7A; // write A0=A2 and x/y CS(A)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

P1L=yg >>8; // write ygH to Data-Bus

P1H=0x75; // write A1 and x/y CS(B)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

P1L=yg; // write ygL to Data-Bus

P1H=0x76; // write A1 and x/y CS(B)

P1H=0x7F; // no CS, not finished

}

/* Fahrt rckwrts */

y=y+measurestepy;

for (x=x;x!=startx;x=x-stepx) {

// start the output of the coordinate

xg=x-y;

yg=x+y;

//printf (x : %0d \n",x);

//printf (y : %0d \n\n",y);

//printf (cantilever : %0d \n",cantilever);

//printf (adc : %0d \n\n\n",adc);

P1L=xg >> 8; // write xgH to Data-Bus

P1H=0xF9; // write A1 and x/y CS(A)

P1H=0xFF; // no CS

P1L=xg; // write xgL to Data-Bus

P1H=0xFA; // write A0=A2 and x/y CS(A)

P1H=0xFF; // no CS

P1L=yg >>8; // write ygH to Data-Bus

P1H=0xF5; // write A1 and x/y CS(B)

P1H=0xFF; // no CS

P1L=yg; // write ygL to Data-Bus

P1H=0xF6; // write A1 and x/y CS(B)

P1H=0xFF; // no CS

}

}

void scanlittle (void) {

}

void scansingle (void) {

}

void menu (void) {

unsigned int address;

unsigned int portdata;

while (1) {

// Print parameter

printf (x : %0d\n",x);

printf (y : %0d\n",y);

printf (z : %0d\n",z);

printf (stepx : %0d\n",stepx);

printf (measurestepy : %0d\n",measurestepy);

printf (measurestepx : %0d\n",measurestepx);

printf (delay : %0d\n",delay);

printf (number : %0d\n",number);

// Wait until Multiplexing-Bit shows address=0)

address=P3 & 0x23FC;

// while ((address&0x2000)) address=P3 & 0x23FC;

// Now read the address

// address=address/4;

address=1;

if (address < 10)

switch (address) {

case 0 :

/* do nothing*/

break;

case 1 :

scanbig ();

break;

case 2 :

scanlittle();

break;

case 3 :

scansingle();

break;}

else {

portdata=P3 & 0x3FC;

/* Wait until Multiplexing-Bit shows address=1 */

while (!(portdata & 0x2000)) portdata=P3 & 0x3FC;

/* Now read data */

portdata&=0x3FC;

portdata=portdata/4;

switch (address) {

case 11 : /* xl */

x=(x & 0xFF00)+portdata;

updateDAC ();

break;

case 12 : /* xh */

x=(x & 0x00FF)+portdata*256;

updateDAC ();

break;

case 13 : /* yl */

y=(y & 0xFF00)+portdata;

updateDAC ();

break;

case 14 : /* yh */

y=(y & 0x00FF)+portdata*256;

updateDAC ();

break;

case 15 : /* zl */

z=(z & 0x00FF)+portdata;

updateDAC ();

break;

case 16 : /* zh */

z=(z & 0xFF00)+portdata*256;

updateDAC ();

break;

case 17 : /* delay */

delay=portdata;

break;

case 18 : /* stepx */

stepx=portdata;

break;

case 19 : /* measurestepy */

measurestepy=portdata;

break;

case 20 : /* measurestepx */

measurestepx=portdata;

break;

case 21 : /* numberL */

number=(number & 0xFF00)+portdata;

break;

case 22 : /* numberH */

number=(number & 0x00FF)+portdata*256;

break;

}

}

}

}

void main (void) { /* execution starts here */

initserial ();

initports ();

printf (\n Scan started!\n");

menu ();

}

Messungen UBM

Messung

Q [1]

zaxis1.ub1

699.69

2.51

799.84

8.774

slowax43.ub1

1122.2

7.17

1130.8

4.056

slowax44.ub1

1234.4

4.22

1256.9

2.652

slowaxTilde1.ub1

1110.1

5.39

1125.5

3.034

slowaxTilde2.ub1

1029.3

5.54

1045.00

2.896

slowax47.ub1

1148.9

2.19

1236.31

1.354

Messparameter UBM

Messung

Anregungs-Funktion

Delay
dt

Sprung
dx

Dämpfung

Datum

slowax41.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

schwach

2.8.99

slowax42.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

schwach

2.8.99

slowax43.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

mittel

2.8.99

slowax44.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

mittel

2.8.99

slowax45.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

stark

2.8.99

slowax46.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

stark

2.8.99

slowax47.ub1

Rechteck

500 ms

200/200/0

stark

2.8.99

slowax48.ub1

Rampe 20 Schritte

2 ms

2000/2000/0

stark

2.8.99

slowax49.ub1

Rampe 20 Schritte

4 ms

2000/2000/0

stark

2.8.99

slowax50.ub1

Rampe 2000 Schritte

4 ms

2000/2000/0

stark

2.8.99

slowax51.ub1

Rampe 20 Schritte

0 ms

2000/2000/0

stark

2.8.99

slowax52.ub1

Rampe 3200 Schritte

0 ms

32000/32000/0

schwach

3.8.99

slowax53.ub1

Rampe 128 Schritte

10 ms

32000/32000/0

schwach

3.8.99

slowax54.ub1

Dreieck ab Funktionsgen.

0.5 Hz

5 V

schwach

3.8.99

slowax55.ub1

Dreieck ab Funktionsgen.

2 Hz

5 V

schwach

3.8.99

slowax56.ub1

Rechteck ab Funktionsgen.

2 Hz

0.2 V

schwach

3.8.99

slowax57.ub1

Dreieck ab Funktionsgen.

10 Hz

5 V

schwach

3.8.99

slowax58.ub1

Dreieck ab Funktionsgen.

20 Hz

5 V

schwach

3.8.99

slowax54.ub1

Dreieck ab Funktionsgen.

4 Hz

5 V

schwach

3.8.99

Verzeichnisserläuterungen CD

Schaltpläne externe Elektronik I & II und Pläne der Scanning-Stage


1. Scanning Elektron Microscope Hitachi S-2400

2. Nanosurf EasyScan (http://www.nanosurf.ch/technica.htm)

3. IBM Almaden Alternative storage mechanisms" http://www.almaden.ibm.com/sst/nmec/

4. IBM Almaden AFM thermomechanical writing" http://www.almaden.ibm.com/sst/nmec/afmwri.htm

5. ETH Zürich - Prof. Dr. Enslin Fabrication of nanostructures with Atomc Force Microscope Technique"

http://www.rereth.ethz.ch/phys/festkoerper/ensslin/pj.04.html

6. typisches Signal des Cantilevers pro Auslenkung: 2.5 V/nm; Gain des On-Chip-Amplifier: 25

7. National Instruments - www.nationalinstruments.com

8. Digital Instruments, Deutschland: www.digmbh.de

9. Nanosurf AG, Liestal BL: www.nanosurf.ch

10. 25 mm Extended Contact Bearing Steel Stages von OptoSigma - Position Resolution: 3 m

11. gemessen mit Schnittstellenkarte 6533(PCI-Version) auf Power-Mac 9600 mittels port-out in Labview 5.0 auf MacOS 8.0, NIDAQ 6.1

12. gemessen mit Schnittstellenkarte 6533 (PCI-Version) auf Power-Mac 9600 mittels port-out in Labview 5.0 auf MacOS 8.0, NIDAQ 6.1

13. Alle Zeiten für Daten-Ein/Ausgaben beziehen sich auf ein Apple PowerBook G3 333 MHZ und wurden unter MacOS 8.6 und NIDAQ 6.1 mit National Instruments DAQ 6533 PCMCIA-Schnittstellenkarte gemessen

14. Dieser Wert ist in diesem Kapitel willkürlich festgelegt. Er bestimmt direkt die Qualität der Messung und ist für alle vorgestellen Modelle identisch.

15. Als schnelle Achse wird die Richtung senkrecht auf die Befestigungsfläche des Scanners bezeichnet. Die langsame Achse ist parallel zur Befestigungsfläche

16. Notation: Als Pixel wird ein Punkt, der vom Scanner angefahren wird definiert. Ein Messpunkt ist eine Stelle, an welcher der AD-Wandler getriggert wird, d.h. dort wo die Cantileverauslenkung gemessen wird.

17. 16-Bit Wert mit Vorzeichen, Bereich: -32768..32768

18. Verstärkermodul, das zum Testen der FAMOS-2-Sensoren entwickelt wurde. Es verfügt über verstellbare Bias-Ströme und wählbare Verstärkungsfaktoren.